DE2547831C3 - Heißgaskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißgaskolbenmaschine mit mindestens drei hin- und herbewegbaren kolbenförmigen Körpern, die mit je einer Treibstange versehen sind, die über einen Gleitkörper mit einer Platte zusammenarbeitet, die auf einer drehbar gelagerten Achse derart angeordnet ist, dai) diese Platte keine Drehung in bezug auf die Welle ausführen kann, sondern um eine senkrecht auf der iVlittelseite der Achse stehende Kippachse kippen kann, wobei weiter Mittel zum Kippen der Platte vorgesehen sind.

Heißgaskolbenmaschinen der oben angegebenen Art sind aus der US-PS 35 11 102 bekannt.

Bei dieser bekannten Heißgaskolbenmaschine be-

wirkt das Kippen der Platte um die Kippachse eine Hubänderung der mit dieser Platte zusammenarbeitenden Kolben, was eine Variation in der Leistungslieferung bei Motoren und eine Änderung in der Kühlkapazität bei K.ühlmaschinen ergibt.

Bei einer Heißgaskolbenmaschine arbeitet im Betrieb immer ein Moment auf die Platte :in, das die Platte in die Lage senkrecht auf der Ach:;e drehen will. Das Kräftepaar ist dabei dem Winkel, den die Platte mit der senkrechten Ebene auf der Achse bildet, direkt proportional und nahezu unabhängi g von der Drehzahl.

Beim Leistungsregeln dieser Maschinen wirkt dieses Kräftepaar mit oder entgegen, was vom Regeln der Leistung nach oben oder nach unten abhängig ist. Zum Steigern der Leistung rr;uß die Platte entgegen

dem Kräftepaar versetzt werden; rasches Ausführen dieses Vorgangs erfordert große Leistung, die unter Umständen nicht verfügbar ist. Dagegen bekommt man Leistungsüberschuß beim Herunterregeln der Leistung bei mitarbeitendem Moment. Dieser Überschuß an

^ft5 Leistung muß also vorübergehend gespeichert wurden, so daß er später verwendbar ist.

Die Erfindung bezweckt, eine Heißgaskolbenmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die rasch

und mit geringer Leistung regelbar ist

Zum Erfüllen dieses Zwecks ist die erfindungsgemäße HeiOgaskolbenmaschine dadurch gekennzeichnet, daß die Platte gleichfalls mit einem Federmechanismus gekuppelt ist, der ein Kräftepaar auf die Platte ausübt, das entgegengesetzt gerichtet und gleich groß ist, wie das von den Kolben auf die Platte ausgeübte Kräftepaar und mit der Änderung des Winkels, den die Platte mit der Welle bildet, auf gleiche Weise schwankt

Auf diese Weise wird also beim Herunterregeln im Federmechanismus eine Energiemenge gespeichert, die beim Hochregeln der Leistung zum Variieren der Lage der Platte verwendet werden kann. Hierdurch kann die Regelung schnell und mit geringem Leistungseinsatz erfolgen. Der Federmechanismus kann dabei sowohl mechanische als auch Gasfednrkonstruktionen enthalten.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mindestens eine Stange enthält, deren Enden in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen geführ., sind, und deren eines Ende mit der Platte und das ander« Ende mit einer Feder gekuppelt ist, deren Federkonstante wenigstens nahezu gleich derjenigen der über die kolbenförmigen Körper auf die Platte einwirkenden Gaskräfte ist.

Die Stange des Federmechanismus ist bei diesem Aufbau in jeder Stellung im Kräftegleichgewicht (ausgewuchtet). Bei Stellungsänderung erfolgt Energietransport von der Feder, die auf ein Stangenende einwirkt, nach der mit dem anderen Stangenende zusammenarbeitenden Feder. Die mit dem einen Stangenende zusammenarbeitende Feder hat gleichsam eine negative Federkennlinie.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform enthält der Federmechanismus mindestens ein Paar identischer Stangen, die scharnierend miteinander gekuppelt und deren freies Ende in gleicher Richtung geradgeführt sind, wobei der Scharnierpunkt mit der Platte gekuppelt ist und die beiden freien Enden mit je einer Feder gekuppelt sind oder umgekehrt und die Federkonstante der beiden Federn zusammen nahezu gleich den Federkonstanten der über die kolbenförmigen Körper auf die Platte einwirkenden Gaskräfte ist

Bei einer weiteren Ausführungsform enthält der Federmechanismus mindestens vier identische Stangen, die miteinander scharnierend verbunden sind und eine Stangenraute bilden, wobei zwei sich gegenüberliegende Scharnierpunkte nrn der Platte verbunden sind und die zwei anderen Scharnierpunkte mit je einer Feder verbunden sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform er erfindungsgemäßen Heißgaskolbenriiaschine ist dadurch gekennzeichnet daß auf der Welle zwei darauf verschiebbare Bauteile geführt sind, von denen einer mit einem Punkt der Platte, der an einer Seite der Kippachse liegt und der andere mit einem Punkt der Platte gekuppelt ist der sich an der anderen Seite der Kippachse befindet, wobei die beiden Bauteile durch mindestens zwei gleich lange scharnierend miteinander verbundene Stangen gekuppelt sind und in jedem der Scharnierpunkte eine Feder angreift, wobei die Federkonstante aller Federn zusammen nahezu gleich den Federkonstanten der über die Kolben auf die Platte einwirkenden Gaskräfte ist.

Auf diese Weise wird also eine mechanische Kupplung zwischen federmechanismus und Platte erhalten, mit welcher man, wenn die Zentrifugalkräfte eine nicht zu große Rolle spielen, gut auskommen kann. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausiührungsfonn ist die Platte unter Vermittlung einer oder mehrerer Flüssigkeitssäulen mit dem Federmechanismus gekup-S pelt

Eine derartige Hydraulikkupplung bietet den großen Vorteil, daß jetzt der Federmechanismus frei vom Triebwerk angeordnet werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der

ίο erfindungsgemäßen Maschine ist jede der erwähnten

Federn an ihrer dem Federmechanismus abgewandten Seite von einem in der Federrichtung verschiebbaren Element unterstützt wobei Mittel vorgesehen sind,

durch Verlagerung jedes dieser Elemente den Federme-

chanismus und die damit verbundene Platte zu verstellen, wobei die Federkonstante aller Federn zusammen etwas von den Fcderkonstanten der

Gaskräfte abweicht die über die Kolben auf die Platte

einwirken. Durch Verlagerung der erwähnten Elemente erfolgt Verstellung des Federnv-rhanismus und der damit verbundenen Platte.

Nach einer weiteren Ausführungsform können dabei die verlagerbaren Elemente durch Kolben gebildet sein, die einen Raum begrenzen, dem Flüssigkeit zugeführt oder IUS dem Flüssigkeit abgeführt werden kann. Auf diese Weise kann die Maschine hydraulisch geregelt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die betreffenden Flüssigkeitsräume weiter noch mit einer engen Flüssigkeitsabführungsöffnung versehen. Hierdurch kann im Stillstand die Platte durch die auftretenden Gaskräfte wieder in ihre senkrecht auf der Welle stehende Lage zurückgebracht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In F i g. 1 ist sehr schematisch im Schnitt eine Darstellung eines Heißgasmotors mit einem sogenannten Taumelscheiben-Triebwerk dargestel't.

Dieser Heißgasmotor enthält eine Anzahl von mindestens drei doppeltarbeitenden Kolben 1, die in den Zylindern 2 bewegbar sind. Unter jedem dieser Kolben befindet sich ein kalter Kompressionsraum 3 und über jedem der Kolben ist ein warmer Expansionsraum 4 angeordnet.

Zwischen den Zylindern 2 ist tine Anzahl von Einheiten angeordnet, die je einen Kühler 5 und einen Regenerator 6 enthalten. Jede Einheit ist an der Kühlerseite mit nur einem Kälteraum 3 in nur einem der Zylinder 2 und an der Regeneratorseite über einen Heizer 7 mit einem warmen Raum 4 in einem anderen Zyiinder 2 verbunden. Auf diese Weise ergibt sich ein doppeltarbeitender Heißgasmotor, der in der NL-PS 65 813 ausführlich beschriebenen ist, so daß weitere Beschreibung unterbleiben kann.

Jeder Kolben t ist mit einer Treibstange 8 versehen, die über Gleitkörper 9 mit einer Platte 10 zusammenarbeitet

Die Platte 10 ist dabei derart auf einer Welle ?1 befestigt daß si. sich nicht in bezug auf die Welie Il dreht sordern um eine Kippachse 12 kippt

Zum Bewegen der Platte 10 um die Kippachse ist die Platte an einer Seite der Kippachse an cer Stelle 13 mit

einem Kolbenpaar 14, 15 und an der anderen Seite der

Kippachse an der Stelle 16 mit einem Kolbenpaar 17,18

scharnierend verbunden.

Die Kolben 14 und 18, die an einer Seite der Platte 10 liegen, begrenzen dabei einem Raum 19, während die an der anderen Seite der Plane 10 liegenden Kolben 15 und

17 einen Raum 20 begrenzen.

Die Räume 19 und 20 sind über einen Kanal 21 an eine nicht dargestellte Anordnung anschließbar, mit der Flüssigkeit den betreffenden Räumen zugeführt oder daraus abgeführt werden kann.

Bei Heißgasmotoren befindet sich im Betrieb in den Räumen .3 und 4 und in den zwischenliegenden Verbindungen ein gasförmiges Arbeitsmedium unter Hochdruck, das durch die Bewegungen der Kolben zwischen den kalten und warmen Räumen hin- und herfließt.

Die auf die Kolben ausgeübten Gaskräfte werden über die Treibstangen 8 und die Gleitkörper 9 und die Platte 10 übertragen. Diese Kräfte üben auf die Platte !0 ein Kräftepaar aus, das die Platte 10 in eine Lage senkrecht auf der Welle zu zwingen versucht. Dieses Kräftepaar ändert sich nahezu linear mit dem Winkel λ und ist gleich Null bei <x = 0 und maximal bei λ = maximal z. B. 22°.

Zur Regelung der gelieferten Motorleistung muß jetzt also entweder die Platte 10 entgegen dem Kräftepaar oder mit dem Kräftepaar verstellt werden. Im einen Falle wird dafür Leistung gebracht, während im anderen Falle ein Überschuß an Leistung verfügbar ist.

Die F.rfindung bezweckt , eine Lösung in dem Sinne zu schaffen, daß die Platte 10 in allen Stellungen, also bei jedem Winkel <x, in Kräftegleichgewicht ist, so daß das Verstellen weder in einer noch in der anderen Richtung Leistung braucht oder einen Überschuß an Leistung ergibt.

Dies ist durch Verbindung des Kolbenpaares 14,15 mit einem Bauteil 22 erreicht, der auf der Welle 1 verschiebbar befestigt, und das Kolbenpaar 17,18 ist mit einem Bauteil 23 verbunden, der gleichfalls verschiebbar auf der Welle 11 geführt ist.

Die Bauteile 22 und 23 sind durch eines oder mehrere Stangenpaare 24, 25 miteinander gekuppelt, die im Punkt 26 scharnierend miteinander gekuppelt sind.

Jeder der Scharnierpunkte 26 ist mit einer Feder 27 verbunden, die sich mit ihrer anderen Seite auf einem Federteller 28 abstützt, der auf der Welle 11 befestigt ist.

Die Federn 27 sind dabei derart konstruiert, daß sie zusammen eine Federkennlinie aufweisen, die der Kennlinie der von den Kolbenpaaren 14, 15 und 17, 18 4«; auf die Bauteile 22 und 23 ausgeübten Kräfte gleich ist.

Auf diese Weise wird ein Ausgleichsmechanismus erhalten, bei dem sich beim Verstellen der Platte 10 in die Stellung senkrecht auf der Achse die Bauteile 21 und 22 nähern, was beinhaltet, daß dabei die Federn 27 eingedrückt werden, so daß in diesen Federn die aus der Platte 10 herrührende Energie gespeichert wird. Die in den Federn 27 gespeicherte Energie kann später wieder beim Verstellen der Platte 10 in der anderen Richtung benutzt werden.

Der Ausgleichsmechanismus ist einer Raute vergleichbar, in deren Eckpunkten vier identische Federn angreifen. Es ist theoretisch nachweisbar, daß eine derartige Raute in jeder Stellung im Kräftegleichgewicht ist

Dies bedeutet daß die hydraulische Flüssigkeit, die beim Verstellen über den Kanal 21 den Räumen 20 und 19 zugeführt oder entzogen wird, nahezu keine Verstellarbeit (von der Reibung abgesehen) mehr zu liefern braucht, so daß der Heißgasmotor dadurch sehr schnei! regelbar ist

Statt eines hydraulischen Systems zum Verstellen der Platte sind dafür gegebenenfalls auch mechanische Mittel anwendbar. Durch die direkte Kupplung dei Kolbenpaare 14, 15 und 1/, 18 mit dem Ausgleichsme chanismus muß letzterer notwendigerweise mit dei Welle 11 rotieren. Bei hoher Drehzahl können hierdurd derart große Zentrifugalkräfte auftreten, daß sie di{ Ausgleichswirkung nachteilig beeinflussen. Zum Beseiti gen dieses Nachteils kann eine hydraulische Kupplung zwischen der Platte 10 und dem Ausgleichsmechanismui zweckdientlich sein.

In diesem Falle kann ein Ausgleichsmechanismu: nach Fig. 2 angewandt werden. Er enthält eine Raute aus vier scharnierend miteinander verbundenen Stan gen 24, 25. Von dieser Raute sind zwei sicr gegenüberliegende Punkte 26 mit je einer Feder 2i verbunden. Die zwei anderen Eckpunkte tragen je einer Kolben 30, der einen Raum 31 in einem Zylinder 3; begrenzt. Jeder der Räume 31 ist über eine Leitung 3J mit dem Kanal 21 verbunden. Zum Verstellen der Platte kann dabei ein getrenntes hydraulisches Syslpm dHpi können mechanische Mittel angewandt werden.

Der Aufbau ist dabei derart bemessen, daß die Kennlinie der Federn wenigstens nahezu dem Verlau der von den Kolben 30 ausgeübten Kräfte be Verlagerung dieser Kolben entspricht.

Beim Verstellen der Platte 10 schwankt das Volumer der Räume 20 und 19. Das heißt es verschiebt sich die Flüssigkeitssäule zwischen den Räumen und den Kolber 30, wodrrch sich die Kolben 30 verlagern. Bei einei fortgesetzten Schrägstellung der Platte 10 gehen dabe die Kolben 30 auseinander und umgekehrt nähern sie sich in der Stellung senkrecht auf der Welle. Die von der Kolben 30 ausgeübten Kräfte schwanken dabe proportional der Änderung des Winkels <x. Indem der Federn 27 eine Kennlinie gegeben wird, die dei Kräftekennlinie entspricht, ist die Stangenraute 24,25 ir jeder Stellung im Gleichgewicht. Dies bedeutet, daß da; Verstellen der Raute und der damit verbundenen Plattt 10 nahezu keine Kräfte erfordert, so daß das Versteller sehr schnell vor sich gehen kann. Das Verstellen muC mit einem getrennten Mechanismus hydraulisch odei mechanisch erfolgen.

In Fig. 3 ist schematisch eine andere Ausführungs form dargestellt, bei der der Ausgleichsmechanismu« gleichfalls mit einem Verstellmechanismus kombinier ist.

Der Ausgleichsmechanismus enthält die gleicher Teile wie in der in Fig. 2. Nur sind in diesem Falle dif Federn 27 mit Kolben 33 verbunden, die einen Raum 34 in einem Zylinder 35 begrenzen. Weiter weicht die; Federkennlinie der Federn 27 jetzt etwas von dei Federkennlinie ab, die sich aus den Gaskräften ergi' -.

Werden jetzt durch Flüssigkeitszuführung übei Leitungen 36 die Kolben 33 verlagert, so ändert sich dadurch die Vorspannung der Federn 27 und die Stangenraute 24, 25 tritt aus dem Gleichgewicht Hierdurch verlagern sich die Kolben 30, bis wiederurr eine neue Gleichgewichtsposition erreicht ist.

Um dafür zu sorgen, daß beim Stillstand des Motors die Gaskräfte die Platte 10 in ihre Stellung senkrecht aul der Welle zwingen können, ist jeder der Zylinder 35 mil einer engen öffnung 38 versehen, durch die im Stillstand die Flüssigkeit aus den Räumen 34 entweichen kann Dies bedeutet, daß die Kolben 33 dabei auseinandergehen, wodurch die Stangenraute aus dem Gleichgewicht tritt Zum Wiederherstellen dieses Zustandes nahem sich die Kolben 30, so daß sich die Platte iü in ihre Stellung senkrecht auf der Welle bewegt

Obiges möge erläutern, daß die oben beschriebene

!•rfindiing einen Heißgasniotor mit einem verstellbaren TiiumeKchcibcn-Tricbsserk schafft, dessen l'lallc mit einem Ausgleiehsmechanismus gekuppelt ist. der auf die Platte ein K räfteoaar ausübt, das genau so groU ist wie das durch die Gaskräfle auf die Platte ausgeübte Kräflepaar. das entgegengesetzt gerichtet ist und in gleicher W.-ise schwankt mil der Stellung der Platte. Diese Aus^leichsmechanismus bringt die l'latte in jeder

.Stellung ins Kräftegleichgewicht, so daü das Verstellen nahezu lcistungslos und dadurch sehr schnell vor sich gehen kann.

In obiger Hesch reibung sind die ledern als echte mechanische F-edcrn dargestellt, es ist jedoch klar, daü die ledern auch durch Gasfedern oiler durch einen Kolben mit einer Ciaspiifferunterstüt/.ung gebildet werden korinen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 617/454

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Heißgaskolbenmaschine mit mindestens drei hin- und herbewegbaren kolbenförmigen Körpern, die mit je einer Treibstange versehen sini I, die Ober einen Gleitkörper mit einer Platte zusammenarbeitet, die auf einer drehbar gelagerten WuIIe derart angeordnet ist, daß diese Platte keine Drehung in bezug auf die Welle ausführen kann, sondern um eine senkrecht auf der Mittellinie der Well·; stehende Kippachse kippen kann, wobei weiter Mittel zum Kippen der Platte vorgesehen sind, c ι d u r c h gekennzeichnet, daß die Platte(10) (;leichfalls mit einem Federmechanismus (27) gekuppelt ist, der ein Kräftepaar auf die Platte (10) au;übt, das entgegensetzt gerichtet und gleich groß i:;i, wie das von den Kolben auf die Platte (10) ausgeübte Kräftepaar und mit der Änderung des Winkels, den die Platte (10) mit der Welle bildet, auf glei :ne Weise schwankt.

2. Heißgaskolbenmaschine nach Anipruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mindestens eine Stange (24, 25) enthalt, deren Enden in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen geführt sind, und deren eines Ende mit der Platte (10) und das andere Ende (26) mit einer Feder (27) gekuppelt ist, deren Feder konstante wenigstens nahezu gleich derjenigen dei über die kolbenförmigen Körper (1) auf die Platte (10) einwirkenden Gaskräfte ist.

3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mindestens ein Paar identischer Stang;n (24,25) enthält, die scharnierend miteinander gekuppelt sind, wobei die freien Enck:n der beiden Stangen in gleicher Richtung geradegefüh. t (22, 23; 30) sind, wobei der Scharnierpunkt (26) mit der F'latte (10) und die beiden freien Enden mit je einer Fuder (27) gekuppelt sind oder umgekehrt, wobei di;: Federkonstante der beiden Federn zusammen ;; eich der Federkonstante der über die kolbenförm:|;en Körper (1) auf die Platte einwirkenden Gaskräfte ist.

4. Heißgaskolbenmaschine nach Ampruch '\ dadurch gekennzeichnet, daß der Federmechanismus mindestens vier identische Stanger (24, 25) enthält, die miteinander scharnierend verbunden sind und eine Stangenraute bilden, bei der ;:wei sich gegenüberliegende Scharnierpunkte mit eier Platte (10) und die zwei anderen Scharnierpunkt: (26) mit je einer Feder (27) verbunden sind.

5. Heißgaskolbenmaschine nach einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (11) zwei darauf verschiebbare Bauteile (22, 23) geführt :>md, von denen einer mit einem Punkt (13) der Platt« (10), der an einer Seite der Kippachse (12) liegt, und der andere mit einem Punkt (16) der Pl.itte (10) gekuppelt ist, der an der anderen Seite der Kippachse (12) liegt, wobei die beiden Bau eile (22:, 23) durch mindestens zwei gleich lange scharnierend miteinander verbundene Stangen (24, 25) gegenseitig gekuppelt sind und in jeden der Scharnitrpunkti: (26) eine Feder (27) angreift, wobei die Fixlerkonstante aller Federn zusammen nahezu gleich den Federkonstanten der über die Kolben (1) auf di<; Platte (10) einwirkenden Gaskräfte ist.

6. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch I, 2, ;i oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plätte (10) unter Vermittlung einer oder mehrerer Flüssigkeitssäulen (31) mit dem Federmechanismus gekuppelt ist.

7. Heißgaskolbenmaschine nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der erwähnten Federn (27) an ihrer dem Federmechanismus abgewandten Seite durch ein in der Federrichtung verschiebbares Element (331) unterstützt ist und Mittel (34,35,36,38) vorgesehen sind, durch Verlagerung jedes dieser Elemente (33) den Federmechanismus und die damit verbundene Platte zu verstellen, wobei die Federkonstante aller Federn zusammen etwas von den Federkonstanten der Gaskräfie abweicht, die über die Kolben auf die Platte (10) einwirken.

8. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Elemente, auf denen sich die Federn (27) abstützen, ein Kolben (33) sind, der mit seiner der betreffenden Feder abgewandten Seite einen Raum (34) begrenzt, dem Flüssigkeit zugeführt und daraus abgeführt werden kann.

9. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der von einem Kolben (33) begrenzten Flüssigkeitsräume (34) mit einer engen öffnung (38) versehen ist, durch die Flüssigkeit aus dem Raum entweichen kann.