DE2402289C2 - Mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine mit Merkmalen der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.

Heißgaskolbenmaschinen mit solchen Merkmalen sind aus der DE-OS 22 17 078, insbesondere Fig. 5 und 6 bekannt. Es sind dort doppeltwirkende Maschinen beschrieben, bei denen vier oder sechs doppeltwirkende Zylinder in gerader Reihe achsparalllel zueinander angeordnet sind. In jedem Zylinder arbeitet ein Kolben, der über eine Kolbenstange, einen Kreuzkopf und eine Pleuelstange an eine Kröpfung einer Kurbelwelle angeschlossen isl und mit seiner Oberseite einen heißen Arbeitsraum begrenzt. Jedem Zylinder ist daneben ein, einen Regenerator und Kühler enthaltendes, achsparallel angeordnetes ' Gehäuse zugeordnet. Jedes Gehäuse steht mit dem zugehörigen Zylinder über einen Strömungsweg in Verbindung, der durch Überleitkanäle und eine Erhitzerrohrwand mit mehreren, in einer geraden Reihe nebeneinander angeordneten Erhitzerrohren gebildet ist. Jeweils ein solcher Zylinder, ein diesem zügeordnetes Gehäuse, die besagten Überleitkanäle und eine solche Erhitzerrohrwand bilden dabei eine Baugruppe. Aus solchen untereinander gleichen Baugruppen waren Reihenmotoren mit beliebig großer Zylinderanzahl baukastenartig herzustellen. Wolke man beispielsweise ausgehend von einem aus zwei solchen Baugruppen, also zwei doppeltwirkenden Zylindern bestehenden Motor dessen Leistung verdoppeln, so mußten zu den bestehenden zwei Baugruppen lediglich zwei derselben hinzugefügt und disse dann vier Baugruppen an ein größeres Kurbelgehäuse mit einer vier Kröpfungen aufweisenden Kurbelwelle angebaut werden. Wollte man einen aus zwei solchen Baugruppen mit doppeltwirkenden Zylindern bestehenden Motor in seiner Leirtung verdreifachen, so mußten zu den bestehenden zi/ei Baugruppen lediglich noch vier derselben hinzugefügt und an diese dann an ein noch größeres Kurbelgehäuse mit einer sechsfach gekröpften Kurbelwelle angebaut werden. Auf diese Art und Weise ist also eine Baureihe von Heißgaskolbenmaschinen doppeltwirkender Bauart realisierbar gewesen, bei der drei verschieden große Kurbeigehäuse mit Triebwerksteiler, für zwei oder vier oder sechs doppeltwirkende Zylinder notwendig waren. In dieser Baureihe doppeltwirkender Heißgaskolbenmaschinen verhalten sich deren Leistungen der Zylinderanzahl entsprechend wie 2:4:5.

Es stellt sich ausgehend von dieser Lehre jedoch die Frage, wie sähe eine Maschine aus, wenn anstelle der Leistung einer aus zwei solchen Baugruppen mit zwei doppeltwirkenden Zylindern bestehenden Maschine nur eine Maschine mit demgegenüber halbierter Leistung erforderlich wäre? Oder wie sähe eine Maschine aus, wenn anstelle der Leistung einer aus sechs solchen Baugruppen mit sechs doppeltwirkenden Zylindern bestehenden Maschine nur eine solche mit demgegenüber halbierter Leistung erforderlich wäre? Über den Aufbau solcher Maschinen gibt die diskutierte DE-OS 22 17 078 keine Auskunft.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ausgehend von dieser bekannten Baureihe doppeltwi-kender Heißgaskolbenmaschinen, deren Leistungen sich der Zylinderanzahl entsprechend wie 2:4:6 vt-rhalten, unter Verwendung einer möglichst großen Anzahl vorhandener Teile dieser Baureihe sowie unter Beibehaltung des Baukastenprinzipes durch Konstruktionsänderungen im Detail die Schaffung einer Baureihe von maximal sechs Zylinder aufweisenden Heißgaskolbenmaschinen zu ermöglichen, deren Leistungen bei gleichem mittleren Zyklusdruck im Verhältnis 1 :2 : 3 : 4 :6 zueinander stehen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß der Abstand der Achse des Gehäuses von der Achse des Zylinders in einer Baugruppe dem Abstand zweier benachbarter Zylinder bei doppeltwirkender Bauart der Maschine entspricht, und daß das Gehäuse jeder Baugruppe aus einem Regenerator und Kühler beinhaltenden Oberteil und einem abnehmbaren, sich an letzterem unterhalb des Kühlers anschließenden Unterteil besteht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es erst möglich geworden, innerhalb einer Baureihe mit einer Vielzahl von gleichen Bauteilen sowohl Heißgasmaschinen doppeltwirkender Bauart als auch Heißgasmaschinen einfachwirkender Bauart realisieren zu können. Aus einer sechszylindrigen doppeltwirkenden Maschine kann so beispielsweise bei gleichem Kurbeigehäuse eine

sechszylindrige einfachwirkende Maschine mit gegenüber der Leistung der sechszylindrigen doppeltwirkenden Maschine halbierter Leistung geschaffen werden; dabei müssen am Kurbelgehäuse lediglich jene die doppeltwirkenden Zylinder 2, 4 und 6 umfassenden Baugruppen weggelassen werden, ferner die die Zylinder 1, 3 und 5 umfassenden Baugruppen gegenüber doppeltwirkender Anordnung um 9(T um die Achse des jeweiligen Zylinders 1, 3 und 5 gedreht werden, anschließend das abnehmbare Unterteil des jeweiligen Gehäuses durch ein solches ausgetauscht werden, das nach Art eines Zylinders ausgebildet ist und einen Kolben umfaßt, der im Betrieb mit seiner Oberseite einen kalten Arbeitsraum begrenzt und mit seiner Kolbenstange an den im Kurbelgehäuse vorhandenen Kreuzkopf angeschlossen wird. Auf die gleiche Art und Weise wird auch zum Erhalt einer vierzylindrigen einfachwirkenden Maschine an einem Kurbelgehäuse einer vierzylindrigen doppeltwirkenden Maschine verfahren. Aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es mithin möglich geworden, eine Baureihe von Heißgasmaschinen zu schaffen, mit 2-, 4- oder 6zylindrigen einfachwirkenden Maschinen mit einem Leistungsverhältnis von ί : 2 .· 3, sowie mit 4- oder 6zylindrigen doppeltwirkenden Maschinen mit einem Leistungsverhältnis gegenüber einer zweizylindrigen einfachwirkenden Maschine von 4 bzw. 6. Bei allen fünf so erhältlichen, leistungsunterschiedlichen Maschinen der Baureihe kommt man also mit bis auf das Gehäuseunterteil einheitlichen Baugruppen, einheitlich gleichen Pleuelstangen, Kreuzköpfen, Kolbenstangen und Kolbenstangendichtungen aus. Diese Einheitlichkeit ist im Prinzip auch bei den die heißen Rauchgase für Wärmezufuhr in die Erhitzerrohre erzeugenden Brennkammern und bei den Luftvorwärmern möglich. Bei den Gehäuseunterteilen und Kolben jedenfalls genügen zwei Varianten, während bei den Kurbelgehäusen drei verschiedene Ausführungen zur Realisierung der fünf leistungsverschiedenen Maschinen der Baureihe notwendig sind. Diese große Einheitlichkeit im Detail erlaubt größere Stückzahlen der Bauelemente und damit eine insgesamt wirtschaftlichere Herstellung der Maschinen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt weitgehend schematisiert

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Heißgaskolbenmaschine mit zwei einfachwirkenden Zylindern,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Maschine gemäß Fig. 1,

Fig.3 eine Draufsicht auf eine Heißgaskolbenmaschine mit vier einfachwirkenden Zylindern,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung der Maschine gemäß F i g. 3,

Fig.5 eine Draufsicht auf eine Heißgaskolbenmaschine mit sechs einfachwirkenden Zylindern,

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung der Maschine gemäß F i g. 5,

F i g. 7 eine Draufsicht auf eine Heißgaskolbenmaschine mit vier doppeltwirkenden Zylindern,

F i g. 8 eine perspektivische Darstellung der Maschine gemäß F i g. 7,

Fig.9 eine Draufsicht auf eine Heißgaskolbenmaschine mit sechs doppeltwirkenden Zylindern,

F i g. 10 eine perspektivische Darstellung der Maschine gemäß Fig. 9.

Bei den perspektivischen Darstellungen in F i g. 2,4,6, 8 und 10 ist das äuPere Verbrennungssystem, das in Fig. 1, 3. 5, 7 und 9 sichtbar ist. der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden.

Die Heißgaskolbenmaschinen, auf die sich die Erfin ■ dung bezieht arbeiten nach dem Stirlingprinzip, bei dem das in den Arbeitsräumen der Maschinenzylinder befindliche Gas bei niedriger Temperatur komprimiert wird und bei hoher Temperatur expandiert und dabei nutzbare Arbeit leistet Zur Aufrechterhaltung dieses Prozesses wird das Arbeitsgas zwischen einem heißen Raum eines Zylinders und einem kalten Raum eines

ίο anderen Zylinders durch die Maschinenkolben hin- und hergeschoben, wobei dem Arbeitsgas Wärme bei hoher Temperatur zugeführt und bei niedriger Temperatur entzogen wird. Die für die Kompressions- und Expansionsvorgänge erforderlichen periodischen Verkleinerungen und Vergrößerungen der Zylinderräume werden dadurch erreicht, daß der Kolben des einen Zylinders phasenverschoben gegenüber dem Kolben des anderen Zylinders arbeitet.

Fig. 1 und 2 zeigen als kleinste Einheit, die eine einfachwirkende Maschine bildet und in der ein Zyklus der vorgenannten Art abläuft, eine Baugruppe, bestehend aus einem einfachwirkenden, sogenannten kalten Zylinder 1 und einem achsparailel hierzu angeordneten, ebenfalls einfachwirkenden, sogenannten heißen Zylinder 2. Der kalte Raum 3 des Zylinders 1 ist in diesem Fall mit dem heißen Raum 4 des Zylinders 2 über einen Strömurigsweg verbunden, der durch Überleitkanäle gebildet ist und in dem hintereinandergeschaltet ein Kühler 5, ein Regenerator 6 und eine Erhitzerrohrwand 7 liegen. Letztere besteht aus mehreren, in einer geraden Reihe nebeneinander angeordneten Erhitzerrohren. Dieser Erhitzerrohrwand 7 wird Wärme durch Verbrennungsgase zugeführt, die von einer Brennkammer 8 geliefert werden. Die Verbrennungsgase strömen nach Passieren der Erhitzerrohrwand 7 durch einen Luftvorwärmer 9, der die von einem nicht dargestellten Gebläse gelieferte Verbrennungsluft für die Brennkammer 8 vorwärmt. Der Zylinder 1 ist durch ein Gehäuse gebildet, in dessen Oberteil der Regenerator 6 und der Kühler 5 untergebracht sind, während im abnehmbaren, nach Art eines Zylinders ausgebildeten Unterteil ein Kolben 10 mit seiner Oberseite den kalten Raum 3 begrenzt. Das Unterteil des Gehäuses schließt sich unterhalb des Kühlers am Oberteil an. Der Regenerator 6 entnimmt dem Arbeiisgas, wenn es aus dem heißen Raum 4 in den kalten Raum 3 geschoben wird. Wärme, speichert diese und gibt sie wieder an das Arbeitsgas ab. wenn dieses aus dem Raum 3 in den Raum 4 zurückgeschoben wird. Der im sogenannten kalten Zylinder 1 arbeitende Kolben 10 muß nur Druckkräfte aufnehmen und gegenüber der Zylinderwand abdichten, während im sogenannten heißen Zylinder 2 ein gegenüber dem Kolben 10 höherer Kolben 11 arbeitet, der im Zylinder 1 Druckkräfte aufnehmen, das Temperaturniveau abbauen unJ im kalten unteren Teil gegenüber der Zylinderwand abdichten muß. Die Kolben 10 und 11 sind über Kreuzköpfe 12 und Pleuelstangen 13 mit einer zweifach gekröpften Kurbelwelle 14 verbunden, die eine um 90° phasenverschoben Bewegung der Kolben 10 und 11 bewirkt und in einem Kurbelgehäuse eingesetzt ist. Die Verbindung zwischen den Kolben 10, 11 und den im Kurbelgehäuse geführten Kreuzköpfen 12 ist durch Kolbenstangen 15 hergestellt. Mit 16 ist ein Pnfftrraum bezeichnet, der durch einen durch die Unterseite des Kolbens 10 im Gehäuseunterteil begrenzten Raum sowie einen durch die Unterseite des Kolbens 11 im Zylinder 2 begrenzten Raum sowie einen Verbindungskanal zwischen beiden Räumen gebildet ist. Die Kolbenstan-

gen 15 sind an den Austritlsstellen 17 aus diesem so gebildeten Pufferraum 16 hermetisch abgedichtet.

Die in F i g. 3 und 4 dargestellte, ebenfalls einfachwirkende Heißgaskolbenmaschine stellt eine Verdoppelung der Maschine nach F i g. I und 2 dar. Sie ist aus den gleichen Bauelementen, ausgenommen die vierfach gekröpfte Kurbelwelle 18 und das zugehörige Kurbelgehäuse, aufgebaut, die im Zusammenhang mit der Maschine gemäß F i g. I und 2 vorstehend beschrieben sind. Die in F i g. 5 und 6 dargestellte einfachwirkende Heißgaskolbenmaschine stellt eine Verdreifachung der Maschine nach Fig. 1 und 2 dar. Sie ist aus den gleichen Elementen wie diese aufgebaut, wobei wieder die sechsfach gekröpfte Kurbelwelle 19 und das zugehörige Kurbelgehäuse eine Ausnahme bilden.

Die in Fig. 7 und 8 dargestellte doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschine vveist vier, die in F i g. 9 und 10 gezeigte doppeltwirkende Heißgaskolbenmaschinc sechs doppeltwirkende Zylinder 20 auf. Die kalten und heißen Räum? dieser 7yl'nd?r sind ebenfalls wie hei den Maschinen nach F i g. 1 bis 6, mit 3 und 4 bezeichnet. Die Kühler 5 und die Regeneratoren 6 sind in Gehäusen

21 untergebracht, die seitlich neben den Zylindern 20 angeordnet sind und sich von jenen der Fig. 1 bis 6 nur durch andere Unterteile unterscheiden. Die Erhitzerrohrwände 7 mit den hier sogenannten heißen Überleitkanälen zwischen den Zylindern 20 und Gehäusen 21, sowie die Gehäuseoberteile mit Regenerator 6 und Kühler 5 stimmen mit den entsprechenden Bauteilen der anhand von Fig. 1 bis 6 beschriebenen Maschinen überein. Das gleiche trifft auf die Kolben 11. die Kreuzköpfe 12. die Pleuelstangen 13, die Kolbenstangen 15 und die Kolber.stangenabdichtungen 17 zu. Dies ist erst durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen möglich geworden: da diese bereits in der Beschreibungseinleitung J5 ausführlich beschrieben sind, müssen diese hier nicht eigenes noch einmal erwähnt werden. Die Kurbelwellen

22 und 23 sind jedoch von den Wellen 18 und 19 verschieden. Bei den in Fig.7 und 9 dargestellten Brennkammern 24 und den Luftvorwärmern 25 bestehen Iediglich Unterschiede hinsichtlich der Größe, da diese Bauelemente jeweils zwei Erhitzern 7 zugeordnet sind. Die in F i g. 8 und 10 dargestellten, in F i g. 7 und 9 mit Linien markierten, sogenannten kalten Überleitkanäle 26 verbinden die Gehäuse 21, wie dargestellt, mit den Mitten der Zylinder 20. Bei der Maschine nach Fig. 7 und 8 arbeiten die Kolben 11 jener Zylinder 20, deren sogenannte, durch die Unterseite des Kolbens 11 begrenzte kalte Räume 3 und heiße Räume 4 über ein Gehäuse 21 miteinander verbunden sind, mit einer Phasenverschiebung von 90°. Bei der Maschinenach Fig.9 und 10 beträgt diese Phasenverschiebung b0°.

Aus den Zeichnungen ist erkennbar, daß bei den Maschinen nach Fig. 1 und 2, sowie Fig.3 und 4, durch Anordnung der Erhitzerrohrwände 7 quer zu den Achsen der Kurbelwellen 14 und 18 und durch senkrechten Verbrennungsgasstrom eine geringe Breite der Maschine erzielt wird. Das gleiche Ergebnis wird bei der Maschine nach F i g. 5 und 6 bei gleicher Anordnung der Erhitzerrohrwände 7 durch schräges Durchströmen der Verbrennungsgase infolge entsprechender Anordnung der Brennkammern 8 erreicht

Bei den Maschinen nach F i g. 7 und 8, sowie F i g. 9 und 10, lassen die Zeichnungen erkennen, daß die Anordnung der Erhitzerrohrwände 7 parallel zu den Achsen der Kurbelwellen 22 und 23 und eine senkrechte Durchströmung infolge entsprechender Anordnung der Brennkammern 24 und der Luftvorwärmer 25 eine kompakte Gesamtbauform ergibt.

Alle in der Zeichnung dargestellten Maschinen nen nicht nur stehend, wie gezeigt, sondern auch liej angeordnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mehrzylindrige Heißgaskolbenmaschine mit bis zu sechs Zylindern, die in einer geraden Reihe achsparallel zueinander angeordnet sind und jeweils einen Kolben umfassen, der über eine Kolbenstange, einen Kreuzkopf und eine Pleuelstange an eine Kurbelwelle angeschlossen ist sowie innerhalb des Zylinders mit seiner Oberseite einen heißen Arbeitsraum begrenzt, der über einen durch Oberleitkanäle und eine Erhitzerrohrwand mit mehreren, in einer geraden Reihe nebeneinander angeordneten Erhitzerrohren gebildeten Strömungsweg mit einem Gehäuse in Verbindung steht, in dem ein Regenerator und ein Kühler angeordnet sind und das neben dem Zylinder achsparallel zu diesem angeordnet ist, wobei ein solches Gehäuse, der Zylinder, die Oberleitkanäle und die Erhitzerrohrwand eine Baugruppe bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eier Abstand dar Achse des Gehäuses (1, 2t) von der Achse des Zylinders (2,28) in einer Baugruppe dem Abstand zweier benachbarter Zylinder (20) bei doppeltwirkender Bauart der Maschine entspricht, und daß das Gehäuse (1,21) jeder Baugruppe aus einem Regenerator (6) und Kühler (5) beinhaltenden Oberteil und einem abnehmbaren, sich an letzterem unterhalb des Kühlers (5) anschließenden Unterteil besteht

2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1 in doppeltwirkender Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse' des Zylinders (20) und des Gehäuses (21) einer Baugruppe in einer senkrecht zur Maschinenlängsachse stehenden Ebene iiegen.

3. Heißgaskolbenmaschin-; nach Anspruch 1 in einfachwirkender Bauart, daduren gekennzeichnet, daß die Achsen des Zylinders (2) mit dem heißen Arbeitsraum (4) und des Gehäuses (1) einer Baugruppe in einer die Maschinenlängsachse beinhaltenden Ebene liegen, und daß das Gehäuseunterteil nach Art eines Zylinders ausgebildet ist, in dem ein ebenfalls an die Kurbelwelle (14,18,19) angeschlossener Kolben (10) mit seiner Oberseite einen kalten Arbeitsraum (3) begrenzt

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