DE2422125B2 - Heissgaskolbenmaschine mit einer vorrichtung zur regelung der arbeitsmediummasse in dem arbeitsraum bzw. in den arbeitsraeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem mindestens ein über eine Kolbenstange mit einem Getriebe verbundener kolbenförmiger Körper hin- und herbeweglich ist, von dem wenigstens eine Endfläche das Volumen eines Arbeitsraums beeinflußt, wobei zwischen den zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders mindestens zwei in axialer Richtung in einem Abstand voneinander liegende Dichtungselemente vorhanden sind, die in Rillen in der genannten Kolben- oder Zylinderwand aufgenommen sind und einen Zwischenraum begrenzen, der den Arbeitsraum von einem weiteren Raum trennt, wobei eine Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum vorhanden ist, welche einen Speicherbehälter für Arbeitsmedium enthält, der über einen Kanal in der Kolbenstange mit dem Arbeitsraum verbindbar ist.

s Eine Heißgaskolbenmaschine der genannten Art ist aus der US-PS 26 11 237 bekannt.

Unter Heißgaskolbenmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Heißgaskolbenmotoren, Gaskältemaschinen und Wärmepumpen verstanden. Im

ίο Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsmedium abwechselnd verdichtet, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraumes, dem Kompressionsraum befindet, danach über einen Regenerator zu einem Teilraum, dem Expansionsraum befördert, danach, wenn

is das Arbeitsmedium sich im wesentlichen im Expansionsraum befindet, expandiert und zum Schluß über den Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurückbefördert, womit der Zyklus vollendet ist. Der Kompressions- und Expansionsraum weisen dabei im Betrieb

ίο gegenüber einander unterschiedliche mittlere Temperaturen auf.

Mit der Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum der Heißgaskolbenmaschine kann die Leistung dieser Maschine durch Änderung des mittleren Arbeitsmediumdruckpegels im Arbeitsraum geändert werden.

Bei der aus der US-PS 26 11 237 bekannten Maschine wird der Speicherbehälter periodisch mit dem Arbeitsraum verbunden, und zwar dadurch, daß ein sich an den genannten Behälter anschließendes Tor in der Führung der Kolbenstange periodisch durch den Kanal in der Kolbenstange bei Hin- und Herbewegung dieser Stange freigegeben wird. Die Dichtungselemente zwischen den zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders dichten dabei den Arbeitsraum gegenüber dem weiteren Raum ab, der beispielsweise der Kurbelwellenraum oder, wie bei doppeltarbeitenden Maschinen, ein zweiter Arbeitsraum sein kann. Die bekannte Maschine weist wegen des inneren Kanalsystems den Vorteil einer gedrängten Konstruktion auf.

Bei kontinuierlicher Leistungsregelung von Heißgaskolbenmaschinen durch Regelung des mittleren Arbeitsmediumdruckpegels im Arbeitsraum werden zur Zeit meistens zwei gesonderte Verbindungsleitungen zwischen dem Speicherbehälter und dem Arbeitsraum verwendet (US-PS 33 72 539 und US-PS 35 46 877). Die erste Leitung mit einem Rückschlagventil, das in Richtung des Arbeitsraumes öffnet, dient zum Zuführen von Arbeitsmedium zu diesem Raum. Die zweite Leitung, in die ein Rückschlagventil aufgenommen ist, die eine Strömung von Arbeitsmedium zum Arbeitsraum vermeidet, wird dazu verwendet, Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abzuführen. Bei der Maschine, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird eine der beiden Leitungen durch die Verbindung des Speicherbehälters mit dem Arbeitsraum über den Kanal in der Kolbenstange gebildet.
Bei Mehrzylinder-Heißgaskolbenmaschinen sind für jeden Arbeitsraum zwei in die zugehörenden Leitungen aufgenommene Rückschlagventile erforderlich, die möglichst dicht am Arbeitsraum liegen, damit der schädliche Raum der Leitungsteile zwischen dem Arbeitsraum und den genannten Ventilen möglichst klein gehalten wird. Für Mehrraummaschinen bedeutet dies eine Vielzahl von Rückschlagventilen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Heißgaskolbenmaschine der genannten

Art zu schaffen, bei der auf vorteilhafte Weise das Vorhandensein der Dichtungselemente zwischen dem kolbenförmigen Körper und dem Zylinder benutzt wird, um die Gesamtzahl erforderlicher Hilfsteile der Maschine zu verringern unter Beibehaltung der Dichtung des Arbeitsraumes gegenüber dem weiteren Raum sowie zur Verringerung des schädlichen Raumes des Arbeitsraumes.

Die erfindungsgemäße Heißgaskolbenmaschine weist das Kennzeichen auf, daß der Kanal in der Kolbenstange sich an der vom Speicherbehälter abgewandten Seite innerhalb des kolbenförmigen Körpers fortsetzt und in den Zwischenraum mündet, wobei das Dichtungselement, das den Zwischenraum vom Arbeitsraum trennt, mit der zugehörenden Rille als ein in nur einer Richtung für Arbeitsmedium durchlässiges Rückschlagventil ausgebildet ist.

Durch diese Kombination von Maßnahmen ist erreicht worden, daß das Dichtungselement zwischen dem Zwischenraum und dem Arbeitsraum zugleich als Rückschlagventil für das Leistungsregelsystem wirksam ist. Gesonderte Rückschlagventile für die betreffenden Verbindungen sind daher nicht mehr notwendig. Dadurch, daß das als Rückschlagventil wirksame Dichtungselement unmittelbar an den Arbeitsraum grenzt, gibt es praktisch keinen schädlichen Raum.

Es sei bemerkt, daß es aus der US-PS 33 72 539 und der US-PS 35 46 887 an sich bekannt ist, einen Dichtungsring (Kolbenring) als Rückschlagventil auszubilden. Es handelt sich dabei um Maschinen mit einem Pufferraum an der vom Arbeitsraum abgewandten Seite des Kolbens, wobei Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum über den Kolbenring zum Pufferraum abgeführt werden kann. Es ist dabei nicht die Rede vom Zu- oder Abführen von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum über einen Kanal im Kolben, in der Kolbenstange bzw. im Verdränger oder in der Verdrängerstange, wobei der Arbeitsraum gegenüber dem an der vom Arbeitsraum abgewandten Seite des Kolbens liegenden weiteren Raum abgedichtet bleiben muß, wie dies bei der Maschine nach der Erfindung der Fall ist.

Eine günstige Ausführurgsform der erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine, die als doppeltwirkender Heißgasmotor ausgebildet ist, wobei der kolbenförmige Körper mit der einen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines ersten Arbeitsraumes bildenden Expansionsraumes mit im Betrieb höherer mittlerer Temperatur beeinflußt und mit der anderen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines zweiten Arbeitsraumes bildenden Kompressionsraumes mit im Betrieb niedrigerer mittlerer Temperatur beeinflußt, weist das Kennzeichen auf, daß ausschließlich das Dichtungselement, das den Zwischenraum vom Kompressionsraum des zweiten Arbeitsraumes trennt, mit der zugehörenden Rille als Rückschlagventil ausgebildet ist.

Dies bietet den Vorteil, daß bei Leistungsregelung immer gewährleistet ist, daß Arbeitsmedium mit niedrigerer Temperatur in den Teil mit niedrigerer Temperatur des Arbeitsraumes eintritt bzw. denselben verläßt. Heißes Arbeitsmedium gelangt dann nicht in die Abführungsleitung bzw. kaltes Arbeitsmedium erreicht nicht die dem Expansionsraum zugewandte Seite mit höherer Temperatur des Regenerators zwischen dem Expansions- und Kompressionsraum. Letzteres würde zu einer ungünstigen Wirkung des Regenerators führen, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Motors abnehmen würde.

Bei einer günstigen Ausführungsform der als doppeltwirkender Heißgasmotor ausgebildeten erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine öffnet das Rückschlagventil in Richtung vom Zwischenraum zum Kompressionsraum.

Des Resultat ist, daß sich im Kanal innerhalb des kolbenförmigen Körpers und der Kolbenstange im normalen Betrieb ein Druck einstellt, der dem Minimaldruck entspricht, der im Arbeitsraum mit veränderlichem Druck auftritt. Dadurch ist auch der Gasdruck oberhalb der Dichtungen zwischen der Kolbenstange und der umgebenden Führung, die mit dem Kanal in Verbindung stehen, niedrig. Der Druck an der anderen Seite dieser Dichtungen kann dann proportional niedriger sein. Für flüssigkeitsunterstützte

,₅ Rollmembrandichtungen (US-PS 32 41379) bedeutet dies, daß die Pumpvorrichtung zum Zuführen von Unterstützungsflüssigkeit einen weniger hohen Flüssigkeitsdruck zu leisten braucht.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, in der beispielsweise ein doppeltwirkender Vierzylinder-Heißgasmotor in Längsschnitt auf schematische Weise und nicht maßgerecht dargestellt ist, näher erläutert.

In der Figur sind mit den Bezugszeichen 1,2,3 und 4 die Zylinder bezeichnet, in denen die Kolben 5,6,7 bzw. 8 hin und her beweglich sind. Die Kolben sind über Kolbenstangen 9 bis 12 und Getriebestangen 13 bis 16 mit einer Kurbelwelle 17 verbunden, deren Kurbeln 18 bis 21 untereinander um einen derartigen Winkel (90°) verschoben sind, daß der erwünschte Phasenunterschied in der Bewegung der Kolben erhalten wird. Die Kurbelwelle 17 ist durch die Wand eines Kurbelkastens 22 hinausgeführt.

Die Kolben 5 bis 8 ändern mit ihrer oberen Endfläche das Volumen des Expansionsraumes 23, 24, 25 bzw. 26 und mit der unteren Endfläche das Volumen des Kompressionsraumes 27,28,29 bzw. 30.

Der Expansionsraum 23 innerhalb des Zylinders 1 und der durch einen Kanal 31 damit verbundene Kompressionsraum 28 innerhalb des Zylinders 2 bilden zusammen einen Arbeitsraum, in dem sich ein thermody η amischer Kreislauf vollzieht. Weiter werden Arbeitsräume gebildet durch den Expansionsraum 24 und den Kompressionsraum 29, die über den Kanal 32 miteinander verbunden sind; durch den Expansionsraum 25 und dem Kompressionsraum 30, die über den Kanal 33 miteinander verbunden sind und durch den Expansionsraum 26 innerhalb des Zylinders 4 und den Kompressionsraum 27 innerhalb des Zylinders 1, die durch den Kanal 34 miteinander verbunden sind.

Das Arbeitsmedium der vier unterschiedlichen Kreisläufe bekommt in den Expansionoräumen 23 bis 26 von außen her mit Hilfe der Brenner 35a bis d Wärme zugeführt. In jeden der Verbindungskanäle 31 bis 34 ist ein Regenerator 36,37,38 bzw. 39 sowie ein Kühler 40, 41,42 bzw. 43 aufgenommen.

In jedem Zylinder ist der Expansionsraum des einen Kreislaufes dichtend vom Kompressionsraum des anderen Kreislaufes getrennt, und zwar mittels zweier Kolbenringe, die in Rillen in der Kolbenwand in einem gewissen Abstand voneinander aufgenommen sind.

Die Kolbenringe sind mit den Bezugszeichen 44 bis 51 bezeichnet. Jedes Kolbenringepaar begrenzt einen Zwischenraum 52,53,54 bzw. 55.
Die niedriger liegenden Kolbenringe 48 bis 51, die mit

6j Spielraum in die zugehörenden Rillen 56 bis 59 aufgenommen sind, weisen an der Unterseite radiale Nuten 48a bis 51a auf. Es gibt dann immer eine offene Verbindung zwischen einerseits dem angrenzenden

Kompressionsraum und andererseits dem Raum zwischen den einander zugewandten vertikalen Flächen der Kolbenrille und des Kolbenringes. Die offene Verbindung kann beispielsweise auch dadurch verwirklicht werden, daß die radialen Nuten in der unteren Fläche der Kolbenrillen 56 bis 59 vorgesehen werden.

Ein Speicherbehälter 60 für Arbeitsmedium ist über einen Kanal 61 in der Wand des Kurbelkastens 22 mit den Ringkanälen 62 bis 65 verbunden, die beim Hin- und Herbewegen der Kolbenstangen 9 bis 12 ständig mit den Kanälen 66 bis 69 innerhalb dieser Stangen in offener Verbindung bleiben. Die letztgenannten Kanäle erstrecken sich bis in die betreffenden Kolben 5 bis 8 und münden in die betreffenden Zwischenräume 52 bis 55.

Zwischen dem Speicherbehälter 60 und dem Kanal 61 befindet sich ein Absperrelement 70.

Im normalen Betrieb ist das Absperrelement 70 geschlossen und der Druck in den Kanälen 66 bis 69 und den Zwischenräumen 52 bis 55 entspricht nahezu dem im Arbeitsraum auftretenden Minimaldruck. Der höhere mittlere Druck, beispielsweise im Kompressionsraum 27, sorgt dann dafür, daß der Kolbenring 48 mit der oberen Fläche nach wie vor an der oberen Wand der Rille 56 anliegt, so daß dieser Kompressionsraum 27 dann gegenüber dem Zwischenraum 52 nach wie vor abgedichtet wird. Der Kolbenring 44 sorgt für die Abdichtung des Expansiorsraumes 23 gegenüber dem Zwischenraum 52. Wegen des höheren Druckpegels im Expansionsraum 23 gegenüber dem im Zwischenraum 52 wird der Kolbenring 44 besonders gut gegen die untere Fläche der Kolbenrille, in der sich dieser Kolbenring befindet, gedrückt.

Wenn die Motorleistung durch Zufuhr von Hochdruckarbeitsmedium aus dem Speicherbehälter 60 gesteigert werden muß, ist das Absperrelement 70 geöffnet. Wenn der Druck im Kanal 66 und im Zwischerraum 52 größer ist als der veränderliche Kreislaufdruck im Kompressionsraum 27, wird der Kolbenring 48 mit der unteren Fläche, in der sich die radialen Nuten 48a befinden, gegen die untere Fläche der Rille 56 gedrückt. Dann strömt Arbeitsmedium aus dem Speicherbehälter 60 über die Kanäle 61 und 66, den Zwischenraum 52 und die radialen Nuten 48a zum Kompressionsraum 27. Bei Verringerung der Leistung wird Arbeitsmedium dem Arbeitsraum entnommen, und zwar über eine nicht dargestellte Abführungsleitung.

Mit der beschriebenen Konstruktion wird verhältnismäßig kaltes Arbeitsmedium dem kälteren Teil des Kreislaufes zugeführt. Würde kaltes Arbeitsmedium über (in diesem Fall als Rückschlagventile ausgebildete) Kolbenringe 44 bis 47 den Expansionsräumen 23 bis 26 zugeführt werden, so würden die Regeneratoren 36 bis 39 ungünstig betrieben werden und der thermische Wirkungsgrad des Motors würde abnehmen.

Dadurch, daß normalerweise in den Ringkanälen 62 bis 65 der minimale Arbeitsmediumdruck herrscht, kann auch der Druck im Kurbelkasten 22 verhältnismäßig niedrig sein. Sind als Dichtungen, die die Ringkanäle 62 bis 65 vom Kurbelkastenraum trennen, durch Flüssigkeit unterstützte Rollmembranen vorhanden, so kann der Flüssigkeitsdruck an der von den Ringkanälen abgewandten Seite dieser Rollmembranen niedrig sein, was für die Flüssigkeitspumpe, die dem Raum unter der Rollmembran Flüssigkeit zuführt und beispielsweise aus einem Pumpring bestehen kann, vorteilhaft ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Heißgaskolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem mindestens ein über eine Kolbenstange mit einem Getriebe verbundener kolbenförmiger Körper hin- und herbeweglich ist, von dem wenigstens eine Endfläche das Volumen eines Arbeitsraumes beeinflußt, wobei zwischen den zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders mindestens zwei in axialer Richtung in einem Abstand voneinander liegende Dichtungselemente vorhanden sind, die in Rillen in der genannten Kolben- oder Zylinderwand aufgenommen sind und einen Zwischenraum begrenzen, der den Arbeitsraum von einem weiteren Raum trennt, wobei eine Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum vorhanden ist, welche einen Speicherbehälter für Arbeitsmedium enthält, der über einen Kanal in der Kolbenstange mit dem Arbeitsraum verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (66, 69) in der Kolbenstange (9, 12) an der vom Speicherbehälter (60) abgewandten Seite sich innerhalb des kolbenförmigen Körpers (5 bis 8) fortsetzt und in den 2'wischenraum (52 bis 55) mündet, wobei das Dichtungselement (48 bis 51), das den Zwischenraum (52 bis 55) vom Arbeitsraum (27 bis 30) trennt, mit der zugehörenden Rille (56 bis 59) als in nur einer Richtung für Arbeitsmedium durchlässiges Rückschlagventil (48a bis 51a) ausgebildet ist.

2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, ausgebildet als doppeltwirkender Heißgasmotor, wobei der kolbenförmige Körper mit der einen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines ersten Arbeitsraumes bildenden Expansionsraumes mit im Betrieb höherer mittlerer Ternpe ratur beeinflußt und mit der anderen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines zweiten Arbeksraumes bildenden Kompressionsraumes mit im Betrieb niedrigerer mittlerer Temperatur beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich das Dichtungselement (48 bis 51), das den Zwischenraum (52 bis 55) vom Kompressionsraum (27 bis 30) des zweiten Arbeitsraumes trennt, mit der zugehörenden Rille als Rückschlagventil ausgebildet ist.

3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil in Richtung vom Zwischenraum (52 bis 55) zum Kompressionsraum (27 bis 30) öffnet.