DE2217078B2

DE2217078B2 - Doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2217078B2
Application number: DE2217078A
Authority: DE
Inventors: Eckhard 8906 Gersthofen Tusche
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1972-04-08
Filing date: 1972-04-08
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2217078C3; DE2217078A1; US3795102A; SE383382B

Description

Die Erfindung betrifft eine doppeltwirkende Heißgaskoibermabchine mit mehreren, in einer geraden, die Maschinenlängsachse bildenden Reihe nebeneinander

w angeordneten Zylindern, deren heißer in eine heiße Leitung mündender Arbeitsraum unter Zwischenschaltung jeweils eines Erhitzers, eines Regenerators und eines Kühlers mit dem kalten, in eine kalte Leitung mündenden Arbeitsraum eines andeien Zylinders in Verbindung steht, wobei die von den äußeren Zylindern der Reihe ausgehenden Strömungswege ausschließlich zu Zylindern innerhalb der Reihe führen.

Eine derartige, doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine ist aus der DE-PS 8 02 486 bekannt. Infolge der

■to teilweise sehr langen Strömungswege, die von einem ersten Zylinder zu einem zweiten Zylinder führen, zwischen denen wiederum zwei weitere Zylinder liegen, ergibt sich bei dieser Anordnung jedoch ein Leitungsvolumen, das sehr groß gegenüber dem maximalen

4^r> Fassungsvermögen der Arbeitsräume ist. Dies führt zu hohen Leilungsverlusten und zu einem sehr schlechten Wirkungsgrad der gesamten Anordnung. Außerdem wird zur Füllung dieser großen Volumina eine große Menge des Arbeitsmediums benötigt. Aber ganz

w abgesehen davon fehlt in der angegebenen Patentschrift jeder Hinweis auf eine exakte Leitungsführung und die genaue Anordnung des Erhitzers, des Regenerators und des Kühlers.

Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, mit geringem Aufwand eine Heißgaskolbenmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die geringe Leitungsverluste und einen guten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

^b0 daß die Mittellängsachsen jeweils eines Zylinders und eines paarweise mit diesem angeordneten, einen Regenerator und einen Kühler enthaltenden Wärmetauschergehäuses in zur Maschinenlängsachse senkrechten Ebenen liegen und daß die die heißen Leitungen

·>■· bildenden Strömungswege parallel und die die kalten Leitungen bildenden Strömungswege unter einem Winkel geneigt zu den zur Maschinenlängsachse senkrechten Ebenen verlaufen. Hierdurch ist es möglich,

einen Reihenmotor mit beliebig großer Zylinderzahl baukastenartig aus untereinander gleichen, jeweils einen Zylinder und ein einen Regenerator und einen Kühler aufnehmendes Wärmetauschend; äuse enthaltenden Baueinheiten aufzubauen. Die baukastenartige Aneinanderreihung von mehreren, gleichen Baueinheiten ergibt in vorteilhafter Weise eine äußerst schmale und kurze Bauform. Außerdem werden dadurch, daß jedem Zylinder der zugehörige Regenerator gegenüberliegt, äußerst kurze heiße Leitungen erreicht, so daß ι ο die bei den hohen Betriebstemperaturen auftretenden Wärmedehnungen sehr klein bleiben. Ferner ergibt sich infolge der senkrecht zur Maschinenlängsachse verlaufenden, heißen Leitungen eine außerordentlich leichte Zugänglichkeit auch zu den innerhalb der Reihe angeordneten Zylinder-Regeneratoreinheiten. Hierdurch wird die Montage der jeweils gasdicht miteinander verbundenen Teile wesentlich erleichtert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung de- Erfindung sind die Wärmetauschergehäuse abschnittsweise in Reihe stehend auf unterschiedlichen Seiten der Zylinder angeordnet. Hierdurch wird erreicht, daß auf der diesen abschnittsweise in Reihe stehenden Wärmetauschergehäusen gegenüberliegenden Seite der Zylinderreihe jeweils ein mehreren Zylindern zugeordneter Brenner 2-j angeordnet werden kann, ohne die Baubreite des Motors wesentlich zu vergrößern. Durch das Vorsehen von zwei Abschnitten mit jeweils gleicher Länge läßt sich in vorteilhafter Weise die Anzahl der notwendigen Brenner verkleinern. w

Eine besonders gleichmäßige Wärmebeaufschlagung aller den einzelnen Zylindern zugeordneten Erhitzer ergibt sich dadurch, daß die Wärmetauschergehäuse wenigstens paarweise alternierend auf verschiedenen Seiten der Zylinderreihe angeordnet sind. i^r>

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmetauschergehäuse in Reihe stehend auf einer Seite der Zylinderreihe vorgesehen. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau und eine sehr leichte Montage und Wartung gewährleistet. «o Außerdem besteht die Möglichkeit, insbesondere bei niedrigen Zylinderzahlen, zur Beaufschlagung aller Erhitzer nur einen einzigen Brenner vorzusehen.

In vorteilhafter Weise lassen sich dadurch, daß zwischen zwei miteinander in Verbindung stehenden ·»■> Zylindern höchstens ein weiterer Zylinder liegt, kurze kalte Leitungen erreichen. Die Leitungsverluste werden somit auch auf der kalten Seite eines zwischen zwei Arbeitsräumen liegenden Strömungsweges kleingehalten. Hierdurch wird ein wesentlicher Beitrag zur 5" Erhöhung des Wirkungsgrades geleistet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt «

Fig. 1 eine Ansicht eines Vierzylindermotors mit abschnittsweise auf unterschiedlichen Seiten der Zylinderreihe angeordneten Wärmetauschergehäusen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, «>

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Sechszylindermotors mit abschnittsweise auf unterschiedlichen Seiten der Zylinderreihe angeordneten Wärmetauschergehäusen,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Sechszy- b^r> lindermotors mit paarweise alternierend auf beiden Seiten der Zylinderreihe sngeoidneten Wärmetauschcrgchiiiiscn.

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Vierzylindermotors mit auf einer Seite der Zylinderreihe angeordneten Wärmetauschergehäusen,

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines Sechszylindeimotors mit auf einer Seite der Zylinderreihe angeordneten Wärmetauschergehäusen.

Der in F i g. 1 dargestellte Reihenmotor enthält vier in einer geraden Reihe angeordnete Zylinder 1 bis 4. In jedem Zylinder ist ein Kolben 5 geführt, der einen oberen Arbeitsraum, den heißen Raum 6 von einem unteren Arbeitsraum, dem kalten Raum 7 trennt Jeder Kolben 5 ist mit einem schematisch dargestellten Treibgestänge 8 verbunden, das auf eine ebenfalls nur schematisch dargestellte Kurbelwelle 9 wirkt. Den Zylindern 1 bis 4 sind jeweils einen Regenerator und einen Kühler enthaltende Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 zugeordnet. Die den Zylindern 1 und 2 zugeordneten Wärmetauschergehäuse 10 und 11 befinden sich auf der nach F i g. 1 hinteren Seite der Zylinderreihe, die den Zylindern 3 und 4 zugeordneten Wärmetauschergehäuse 12 und 13 auf der gegenüberliegenden Seite. Hierdurch entsteht anschließend an die Wärmetauschergehäuse 10 und 11 bzw. vor den Wärmetauschergehäusen 12 und 13 jeweils ein freier Raum zur platzsparenden Unterbringung beispielsweise eines Brenners. Durch die Mittellängsachsen A-A der Zylinder 1, 2, 3, 4 und die Mittellängsachsen B-B der zugehörigen Wärmetauschergehäuse 10, 11, 12, 13 werden jeweils parallele, senkrecht zur Maschinenlängsachse verlaufende Ebenen aufgespannt. Aufgrund dieser senkrechten Anordnung ergeben sich kürzeste Verbindungswege zwischen den Zylindern 1 bis 4 und ihren zugehörigen Wärmctauschergehäusen. An die Zylinder 1 bis 4 sowie an die Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 sind jeweils auf gleicher Höhe Sammelkanäle 14 bzw. 15 angeschlossen, die etwa auf halbem Weg zusammenstoßen. Von den an die Zylinder 1 bis 4 angesetzten Sammelkanälen 14 zu den an die zugehörigen Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 angesetzten Sammelkanälen 15 führen U-förmig gebogene Erhitzerrohre 16 hinüber. Die den Zylindern 1 und 2 zugehörigen Erhitzerrohre und die den Zylindern 3 und 4 zugehörigen Erhitzerrohre bilden jeweils eine parallel zur Maschinenlängsachse verlaufende Rohrwand 17 und 18. Die Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 sind als Zylinder mit demselben Durchmesser wie die Zylinder 1 bis 4 ausgeführt. Hierdurch wird erreicht, daß unter anderem die Sammelkanäle 14 und IS mit genau gleicher Größe und gleicher Form ausgeführt werden können und somit der fertigungstechnische Aufwand herabgesetzt und die Lager- und Ersatzteilhaltung vereinfacht und verbilligt werden. Es ist jedoch auch eine Ausführung denkbar, bei der die Sammelkanäle 14 und 15 nicht auf halbem Weg zwischen den Zylindern 1 bis 4 und den zugehörigen Wärmetauschergehäusen 10 bis 13 zusammenstoßen, sondern etwa im Bereich der Gehäuse 10 bis 13. Bei dieser Ausführung ist das die Leistung und den Wirkungsgrad des Motors besonders nachteilig beeinflussende Volumen der an die Gehäuse 10 bis 13 angesetzten Sammelkanäle 15 auf ein Minimum gebracht. Außerdem wird hierdurch weiterer freier Raum oberhalb der Zylinder 1 bis 4 zur Uni?rbringung der Brenner gewonnen. Zur Erzielung einer besonders kurzen und breiten Bauweise der Regeneratoren und Kühler können die Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 mit einem größeren Durchmesser als die Zylinder 1 bis 4 ausgeführt werden. Hierdurch ergeben sich äußerst kurze Strömungswege und somit

eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades. An den kalten Raum 7 jedes Zylinders 1 bis 4 sind Rohrleitungen 19 angeschlossen, die aus den durch die Achsen A-A und B-Baufgespannten Ebenen herauslaufen und zu jeweils einem der Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 führen. Die Rohrleitungen 19 sind so gelegt, daß höchstens eine der durch die Achsen A-A und B-B aufgespannten Ebenen geschnitten wird. Hierdurch ergeben sich möglichst kurze Leitungen. Durch die Rohrleitungen 19 wird von dem kalten Raum 7 eines ersten Zylinders über ein Wärmetauschergehäuse einen daran angesetzten Sammelkanal, eine Rohrwand und einen darauf folgenden Sammelkanal zu dem heißen Raum 6 eines zweiten Zylinders ein Strömungsweg geschaffen, beispielsweise vom heißen Raum 6 des Zylinders 1 zum kalten Raum 7 des Zylinders 2. Der Bereich des Strömungsweges vom heißen Raum 6 bis zum Regenerator bildet die heiße Leitung, der Bereich vom kalten Raum 7 zum Kühler die kalte Leitung.

Beim Durchströmen der Erhitzerrohre 16 wird dem Arbeitsmedium Wärme zugeführt, die mittels die Rohrwände 17 und 18 beaufschlagender Brenner erzeugt wird. Der die Rohrwand 18 beaufschlagende Brenner 20 ist neben der Zylinderreihe auf der den Wärmetauschergehäusen 12 und 13 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Es ist aber auch eine Ausführung denkbar, bei der der Brenner 20 oberhalb der Zylinder 3 und 4 vorgesehen ist. Die die Erhitzerrohre umströmenden Brenngase sind durch den Pfeil 21 angedeutet. Der Brenner zur Beaufschlagung der Rohrwand 17 ist nicht dargestellt. Die Richtung des Heizmittels ist durch den Pfeil 22 angedeutet. Dadurch, daß die Erhitzerrohre von wenigstens zwei nebeneinander liegenden Zylindern eine zusammenhängende, parallel zur Maschinenlängsachse verlaufende Rohrwand bilden, wird die Wärmeabgabe an das Arbeitsmedium erleichtert und somit der Wirkungsgrad der Anlage erhöht. Als besonderer Vorteil erweist es sich, wenn die durch die einzelnen Erhitzerrohre 16 führenden heißen Strömungswege gleich lang sind, da hierdurch eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus den thermisch sehr hoch belasteten Erhitzerrohren 16 an das Arbeitsmedium erfolgt und somit eine thermische Überbelastung einzelner Bauteile vermieden wird.

In Fig.2 sind die Strömungswege zwischen den Zylindern 1 bis 4 des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels schematisch angedeutet Hierbei sind, wie im folgenden, die heißen Leitungen 23 als Doppellinien dargestellt, die kalten Leitungen 24 als strichpunktierte Linien. Der heiße Raum 6 des Zylinders 1 ist mit dem kalten Raum 7 des Zylinders 2 verbinden, der heiße Raum 6 dieses Zylinders mit dem kalten Raum 7 des Zylinders 4 und der heiße Raum 6 des Zylinders 4 mit dem kalten Raum 7 des Zylinders 3. Vom heißen Raum 6 des Zylinders 3 führt die Verbindung zurück zum kalten Raum 7 des Zylinders 1. An den den äußeren Zylindern 1 und 4 der Reihe zugeordneten Wärmetauschergehäusen 10 und 13 greifen hierbei kurze, nur einen Zylinderabstand überbrückende, kalte Leitungen an, die beiden anderen kalterr Leitungen überbrücken zwei Zylinderabstände. Ebenso wäre aber auch eine Anordnung möglich, bei der an den Wärmetauschergehäusen 10 und 13 lange, zwei Zylinderabstände überbrückende, kalte Leitungen angreifen und die kurzen Leitungen an den übrigen Wärmetauschergehäusen 11 und 12. Die heißen Leitungen 23 sind ^r> aufgrund der zur Maschinenlängsachse senkrechten Anordnung der Zylinder 1 bis 4 und der Wärmetauschergehäuse 10 bis 13 äußerst kurz und gleich lang. Die kalten Leitungen 24 sind zwar nicht gleich lang, aber dadurch, daß jeweils nur höchstens ein Zylinder

κι zwischen zwei miteinander in Verbindung stehenden Zylindern liegt, werden kleinstmögliche Unterschiede erreicht. Durch die dargestellte Verbindung der einzelnen Zylinder wird außerdem erreicht, daß alle kalten Leitungen etwa parallel verlaufen und somit

is leicht und unabhängig voneinander montiert werden können.

In dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Zylinder 25 in einer geraden Reihe nebeneinander angeordnet. Jedem Zylinder 25 ist ein Wärmetauschergehäuse 26 zugeordnet. Die Wärmetauschergehäuse 26 sind abschnittsweise auf beiden Seiten der Zylinderreihe angeordnet, wobei jeder Abschnitt drei Wärmetauschergehäuse 26 enthält. Die heißen Leitungen 27 weisen wiederum minimale Länge auf. Die kalten Leitungen 28 verlaufen erfiridungsgemäß derart, daß jeweils höchstens zwei Zylinderabstände überbrückt werden. Die Länge der kalten Leitungen ist entsprechend F i g. 2 wiederum so verteilt, daß an den beiden äußersten Wärmetauschergehäusen kurze kalte Leitungen angesetzt sind und an den übrigen lange. Selbstverständlich wäre auch hier eine Anordnung denkbar, bei der an den beiden äußersten Wärmetauschergehäusen lange kalte Leitungen angreifen.

In Fig. 4 sind die mit den in einer Reihe angeordneten Zylindern 29 über die heißen Leitungen 30 verbundenen Wärmetauschergehäuse 31 paarweise alternierend auf beiden Seiten der Zylinderreihe angeordnet. Die kalten Leitungen 32 sind, wie im Zusammenhang mit dem in Fig.3 dargestellter Sechszylindermotor schon geschildert, so gelegt, daß an den beiden äußersten Wärmetauschergehäusen kurze kalte Leitungen angreifen.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Vierzylindermotors sind die mit den Zylindern 33

über heiße Leitungen 34 verbundenen Wärmetauschergehäuse 35, die jeweils wiederum einen Regenerator und einen Kühler enthalten, auf einer Seite der Zyiinderreihe angeordnet. Die kalten Leitungen 36 sind ebenso wie in F i g. 2 geführt.

In F i g. 6 ist ein Sechszylindermotor dargestellt, bei dem die mit den Zylindern 37 über die heißen Leitungen 38 verbundenen Wärmetauschergehäuse 39 ebenfalls auf einer Seite der Zylinderreihe angeordnet sind. Die kalten Leitungen 40 verlaufen, wie im Zusammenhanf mit F i g. 3 schon angedeutet, derart, daß der kalte Rauir des ersten und letzten Zylinders der Reihe jeweils mil dem heißen Raum des benachbarten Zylinders ir Verbindung steht Es ist aber jederzeit eine Ausführung denkbar, bei der die kalten Leitungen 36, wie beispielsweise in F i g. 3, derart verlaufen, daß der heiße Raum des ersten und letzten Zylinders mit dem kalter Raum des benachbarten Zylinders verbunden ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine mit mehreren, in einer geraden, die Maschinenlängsachse bildenden Reihe nebeneinander angeordneten Zylindern, deren heißer in eine heiße Leitung mündender Arbeitsraum unter Zwischenschaltung jeweils eines Erhitzers, eines Regenerators und eines Kühlers mit dem kalten, in eine kalte Leitung mündenden Arbeitsraum eines anderen Zylinders in Verbindung steht, wobei die von den äußeren Zylindern der Reihe ausgehenden Strömungswege ausschließlich zu Zylindern innerhalb der Reihe führen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellän^sachsen (A-^jeweils eines Zylinders (1, 2,3,4,25~29,33,37) und die Mittelläng»achsen (B-B) eines paarweise mit diesem angeordneter, einen Regenerator und einen Kühler enthaltenden Wärmetauschergehäuses (10 bis 13,26,31, 35,39) in zur Maschinenlängsachse senkrechten Ebenen liegen, und daß die die heißen Leitungen (23,27, 30,34,38) bildenden Strömungswege parallel und die die kalten Leitungen (24, 28, 32, 36, 40) bildenden Strömungswege unter einem Winkel geneigt zu den zur Maschinenlängsachse senkrechten Ebenen verlaufen.

2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschergehäuse (10 bis 13, 26, 31) abschnittsweise in Reihe stehend auf unterschiedlichen Seiten der Zylinder (1 bis 4,25,29) angeordnet sind.

3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Abschnitte jeweils gleicher Länge vorgesehen sind.

4. Heißgaskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschergehäuse (31) wenigstens paarweise alternierend auf verschiedenen Seiten der Zylinderreihe angeordnet sind.

5. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschergehäuse (35, 39) in Reihe stehend auf einer Seite der Zylinderreihe vorgesehen sind.

6. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei miteinander in Verbindung stehenden Zylindern (1 bis 4,25,29,33,37) höchstens ein weiterer Zylinder liegt.

7. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der heiße Raum (6) des ersten Zylinders (1) und des letzten Zylinders (4) einer Reihe jeweils mit dem kalten Raum (7) des benachbarten Zylinders (2,3) in Verbindung steht.

8. Heißgaskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Raum des ersten und des letzten Zylinders (37) einer Reihe mit dem heißen Raum des benachbarten Zylinders in Verbindung steht.

9. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschergehäuse (10 bis 13,26,31,35, 39) zylindrische Form haben.

10. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Wärmetauschergehäuse (10 bis 13, 26, 31, 35, 39) gleich oder größer dem Durchmesser der Zylinder (1 bis 4,25,29,33,37) ist.

11. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Zylinder (1 bis 4) und am zugeordneten Wärmetauschergehäuse (10 bis 13) angesetzten, in die Erhitzerrohre (16) mündenden Sammelkanäle (14, 15) gleich ausgebildet sind.

12. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Strömungswege annähernd gleich lang sind.

13. Heißgaskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzerrohre (16) von wenigstens zwei nebeneinander liegenden Zylindern (1 bis 4) eine zusammenhängende, parallel zur Maschinenlängsachse verlaufende Rohrwand (17,18) bilden.

14. Heißgaskolhenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beaufschlagung einer Rohrwand (17,18) ein auf der den Wärmetauschergehäusen (10 bis 13) gegenüberliegenden Seite der Rohrreihe angeordneter Brenner (20) vorgesehen ist.