DE2730147A1

DE2730147A1 - Ericsson-stirling-motor

Info

Publication number: DE2730147A1
Application number: DE19772730147
Authority: DE
Inventors: Thomas R Stockton
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-07-09
Filing date: 1977-07-04
Publication date: 1978-01-19
Also published as: JPS5337258A; CA1068490A; GB1584054A; NL7707332A; SE7707938L; JPS564743B2; US4074533A

Description

Patentanmeldung Er ic s son - Stirling - Motor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Erics son-Stirling-Motor mit einem halboffenen Arbeitsmittelkreis, in dem in einer Anzahl von Zylindern angeordnete und über einen Kurbeltrieb abgestimmt auf- und abbewegbare Arbeitskolben in den Zylindern heifie und kalte Räume bilden und das einen Kraftstoffanteil enthaltende Arbeitsmittel über eine, über Ventile gesteuerte und einen Regenerator enthaltende Verbindungeleitung aus einem kalten Raum in einen heißen Raum verlagern und dem Arbeitsmittel während seiner Expansion Arbeiteenergie entziehen und wobei dem Arbeitsmittel über eine intermittierende, interne Verbrennung von Anteilen des Arbeitsmittels wieder Wärme zuführbar ist und eine Einrichtung zur Ergänzung des Arbeitsmittels vorgesehen ist.

Ein eingangs beschriebener Erics son-Stirling-Motor unterscheidet sich von einem ursprünglichen Stirling-Motor im wesentlichen dadurch, daß sein Arbeitsmittelkreis halboffen ist, sein Arbeitsmittel Kraftstoffanteile enthält und die Wärmezufuhr zum Arbeitsmittel durch eine interne Verbrennung von Anteilen des Arbeitsmittels erfolgt.

Dem gegenüber besitzt ein ure

prünglicher Stirling-Motor einen

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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln. HRB 84 - Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger Vorstand! Peter Weiher. Vorsitzender

Horst Bergemann Franz J. Bohr - WaUemar Ebers - Wilhelm Inden - Alfred Langer Stellvertretend: Hermann Dederichs - Hans Wilhelm Gib - Paul A. Guckel - Hans-Joachim Lehmann

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geschlossenen Arbeitsmittelkreis mit einem speziellen Arbeitsmittel, dem Wärme über einen externen Brennerkreis zugeführt wird.

Die Anwendung eines externen Brennerkreises bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich. So muß beim Starten eines Stirling-Motors eine gewisse Zeitverzögerung in Kauf genommen werden, bis der externe Brennerkreis in Betrieb ist. Weiterhin müssen, um eine wirtschaftliche Wärmeübertragung aus dem externen Brennerkreis auf den geschlossenen Arbeitsmittelkreis sicherzustellen, für die erforderliche Erhitzerröhrenanordnung teure und nur in begrenzten Mengen vorhandene hochtemperatur feste Metalle, z. B. auf Basis von Nickellegierungen, verwendet werden. Weiterhin muß zur Erzielung einer wirtschaftlichen Wärmeübertragung als Arbeitsmittel ein Gas mit geringer Dichte und hoher thermischer Leitfähigkeit wie z. B. Wasserstoff oder Helium verwendet werden, für das es z. B. im öffentlichen Verkehr kein Vertriebsnetz gibt, so daß dieses Gas in aufwendiger Weise im Stirling-Motor eingeschlossen mitgeführt werden muß.

Ein Ericsson-Stirling-Motor vermeidet diese Nachteile, indem im halboffenen Arbeitsmittelkreis als Arbeitsmittel mit Kraftstoffanteilen versetzte Luft verwendet wird, der die erforderliche Wärme unmittelbar durch intermittierende, interne Verbrennung von Anteilen des Arbeitsmittels zugeführt wird. Dadurch wird die Notwendigkeit, teure, hochwärmefeste Metalle zu verwenden, vermieden und dennoch eine Verbesserung der Wärmeübertragung erzielt.

Die bisher bekannten Ericsson-Stirling-Motoren weisen jedoch auch Nachteile auf, die im wesentlichen darin bestehen, daß diese Motoren einen die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigenden unwirksamen Raum, eine ungünstige Anordnung des wärmetauschenden Regenerators und eine noch nicht zufriedenstellende interne Verbrennung aufweisen.

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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ericsson-Stirling-Motor der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die aufgezeigten Nachteile vermieden werden und darüber hinaus eine verhältnismäßig einfach bauende, aus im Verbrennungsmotor..bauüblichen Materialien herstellbare, kompakte Motor-Einheit geschaffen wird, die gute Voraussetzungen für eine weit verbreitete Anwendung im Kraf*fahrzeugbau aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Ericsson-Stirling-Motor der eingangs genannten Art die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des wärmeaustr.usehenden Rege-

R<um

nerators im Verdichtungsraum des den heißen^vbildenden Zylinders in der Weise, daß dieser den gesamten Zylinderquerschnitt überspannt und den Hubraum des Zylinders im wesentlichen von dessen Verdichtungsraum trennt, wird eine günstige räumliche Anordnung des wärmeaustauschenden Regenerators erzielt, wodurch einerseits der de Wirtschaftlichkeit eines Motors beeinträchtigende unwirksame Raum verringert und andererseits der Wirkungsgrad des wärmeaustauschenden Regenerators verbessert wird. Durch die weitere erfindungsgemäße Ausbildung des Regenerators als "Katalysator-Regenerator", bei dem der aus einem durchbrochenen, feuerbeständigen Gitterwerk aus wärme speicherndem Keramikmaterial bestehende Regeneratorkörper mit eingelagerten, die Verbrennung unterstützenden Katalysatormaterialien versehen ist, werden äußerst günstige Verbrennungsbedingungen für die interne Verbrennung geschaffen, wodurch einerseits die Wirtschaftlichkeit aes Motorbetriebes erhöht und andererseits der Ausstoß von unerwünschten Abgasbestandteilen verringert wird.

Die Erfindung wird anhand zweier in den beiliegenden Zeichnungen gezeigter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 bis 4 verschiedene, aufeinanderfolgende Betriebsphasen eines

Eric s son-Stirling-Motor s gemäß der Erfindung mit einem nicht umkehrbaren Arbeitsmittel-Strömungsweg;

Fig. 5 bis 8 verschiedene, aufeinanderfolgende Betriebsphasen eines

Ericsson-Stirling-Motor s gemäß der Erfindung mit einem umkehrbaren Arbeitsmittel-Strömungsweg.

Die in den Zeichnungen gezeigten, erfindungsgemäß verbesserten Ericsson-Stirling-Motor en verwenden als Arbeitsmittel mit Kraftstoffanteilen versetzte Luft, dem die erforderliche Wärme durch intermittierende, interne Verbrennung zugeführt wird. Das innere heiße Gasvolumen kann in engen Grenze gesteuert und auf einem hohen Druck von ca 82 bar gehalten werden, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis dennoch falls gewünscht, verhältnismäßig hoch gehalten werden kann. Ein erfindungsgemäßer wärmeau stau sehender Regenerator (der gleichzeitig als ein die Verbrennung unterstützende!· Katalysator dient) ist innerhalb des den heißen Raum bildenden Zylinders in der Weise angeordnet, daß er in dem Teil des Verdichtungsraumes liegt, an den sich der Hubraum des Zylinders unmittelbar anschließt. Auf diese Weise wird der Verdichtungsraum, in den z. B. die Kraftstoffzufuhr erfolgen kann, von dem als Expansionsraum dienenden Hubraum des Zylinders getrennt. Diese erfindungsgemäße Anordnung des wärmeaustauschenden Regenerators ist einerseits äußerst raum- und gewichtssparend und verbessert andererseits dessen Wirtschaftlichkeit.

Das innere- heiße Gas volumen wird hierbei auf einer gewählten hohen Temperatur von 537 C bis 926 C gehalten und entsprechend dem Stirling-Zyklus von einem Raum zum anderen Raum verlagert. Ein Teil des Arbeitsmittels, das aus dem kalten Raum etwa bei Umgebungsbedingungen ausgestoßen wird, wird laufend durch eine entsprechende

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Einrichtung ergänzt. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Arbeitsmittels kann so gesteuert werden, daß die gewählte Temperatur, bei der bereits eine katalytisch unterstützte Verbrennung stattfindet, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der Stickoxyde entstehen und bei der ursprüngliche Stirling-Motoren arbeiten, eingehalten werden kann.

In den Fig. 1 bis 4 sind die wesentlichen Teile eines Ericsson-Stirling-Motors gemäß der Erfindung gezeigt. Ein Motorgehäuse 10 weist einen Haupt-Zylinder 12, einen Hilfs-Zylinder 13 und einen Pump-Zylinder 14 auf. In den Zylindern 12, 13 und 14 sind auf- und abbewegbare Kolben 16, 15 und 17 angeordnet, die Räume 19, 18 und 20 bilden. Die außerhalb des Hubraumes der Räume 18 und 19 liegenden V er dichtung s räume der Zylinder 13 und 12 bilden zusammen mit dem Volumen ihres Verbindungskanals 21 den unwirksamen Raum der Motor-Einheit, der keiner Volumenänderung unterworfen ist.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind mit den Zylindern zusammenwirkende Kolben gezeigt. Es ist selbstverständlich möglich, daß anstelle der Kolben auch an sich bekannte Verdrängerköpfe verwendet werden können.

Der im Zylinder 12 angeordnete Kolben 16 ist über eine Pleuelstange 22 mit einem Kurbelarm 23 einer Kurbelwelle verbunden. In ähnlicher Weise ist der im Zylinder 13 angeordnete Kolben 15 über eine Pleuelstange 25 mit einem Kurbelarm 26 der Kurbelwelle 24 verbunden. Ebenso ist der im Zylinder 14 angeordnete Kolben 17 über eine Pleuelstange 28 mit einem Kurbelarm 29 der Kurbelwelle 24 verbunden.

Die Kolben 15, 16 und 17 sind hierbei mit entsprechenden beim Kolben 17 bezeichneten Kolbenringen 27 versehen.

Die von den Zylinder-Kolben-Einheiten 13/15 und 12/16 gebildeten im

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Volumen variablen Räume 18 und 19 bilden die Räume,zwischen denen das Arbeitsmittel entsprechend dem Stirling-Zyklus verlagert wird.

Die Zylinder-Kolben:-Einheit 13/15 bildet hierbei den kalten Raum 18, der auch als Kompressionsraum bezeichnet wird und in dem ein Druck und eine Temperatur von etwas oberhalb Umgebungstemperatur herrscht.

Die Zylinder-Kolben-Einheit 12/16 bildet hierbei den heißen Raum 19, der auch als Expansionsraum bezeichnet wird und in dem ein verhältnismäßig hoher Druck und eine hohe Temperatur aufrecht erhalten wird. Der hohe Druck und die hohe Temperatur im heißen Raum 19 wird hierbei durch Wärmezufuhr in Form einer internen Verbrennung aufrecht erhalten.

Die Zylinder-Kolben-Einheit 14/17 bildet hierbei einen Pumpraum 20, der Luft bei Umgebungsdruck und -temperatur ansaugt und in komprimierter Form intermittierend dem halboffenen Arbeitsmittelkreis zuführt.

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Betriebsphasen stellen unter idealen Verhältnissen betrachtet, FolgezuStandsänderungen dar: Isobare Expansion ( Fig. 1 ), isdhore Abkühlung (Fig. 2), isobare Kompression (Fig. 3) und isdhore Erwärmung (Fig. 4).

Die drei Räume 18, 19 und 20 stehen über Ventilöffnungen 30 bis 34 untereinander und über Ventilöffnungen 33 und 35 mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung. Der heiße Raum 19 steht hierbei Über eine Ventilöffnung 30, die von einem Ventil 46 gesteuert wird, einen Verbindung skanal 36 und einer Ventilöffnung 34, die über ein Ventil 45 gesteuert wird, in Verbindung mit dem Pumpraum 20. Der Pumpraum steht über eine Ventilöffnung 35, die über ein Ventil 43 gesteuert wird und eine Einlaßleitung 37 mit der Umgebungeatmosphäre in Verbindung.

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Der heiße Raum 19 steht andererseits über eine Ventilöffnung 31, die über ein Ventil 47 gesteuert wird, eine Verbindungsleitung 21 und eine Ventilöffnung 32, die über ein Ventil 48 gesteuert wird,in Verbindung mit dem kalten Raum 18. Der kalte Raum 18 steht über eine Ventilöffnung 33, die über ein Ventil 49 gesteuert wird und eine Au Blasleitung 38 in Verbindung mit der Umgebungsatmosphäre.

Die verschiedenen Ventile werden über eine schematisch angedeutete Ventilsteuerung, z. B. einer herkömmlichen Nockenwellen-Kipphebel anordnung, in gewünschter Weise aufeinanderfolgend betätigt, um die gewünschten Volumenverlagerungen zu ermöglichen.

Der heiße Raum 19 kann hierbei mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 41 und einer Zündkerze 42 versehen sein. In der Einlaßleitung 37 des Pumpenraumes 20 kann eine Drosselklappe 44 angeordnet sein.

Wie bereits erwähnt, ist gemäß der Erfindung in dem Bereich des Verdichtung sr aumes der Zylinder-Kolben-Einheit 12/l 6 unmittelbar angrenzend an den Hubraum der Zylinder-Kolben-Einheit ein den gesamten Zylinderqurschnitt überspannender Regenerator H angeordnet. Der Regenerator 11 trennt somit den Verdichtungsraum, in den die Kraftstoffzufuhr über die einen herkömmlichen Aufbau aufweisende Kraftstoffeinspritzdüse 41 erfolgen kann, von dem Hub raum, in dem die Zündung des Brennstoffanteile enthaltenden Arbeitsmittels über eine herkömmliche Zündkerze 42 erfolgen kann.

Gemäß der Erfindung ist der Regenerator 11 jedoch als "Katalysator-Regenerator" ausgebildet, bei dem in dem aus einem durchbrochenen feuerbeständigen Gitterwerk aus wärme speicherndem Keramikmaterial bestehenden Regeneratorkörper die Verbrennung unterstützende Katalysatormaterialien eingebettet sind. Auf diese Weise kann die Verbrennung innerhalb des heißen Raumes 19 aufrecht erhalten werden, ohne daß

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hierzu ein laufend erneutes Zünden erforderlich ist.

Ein Katalysator-Regenerator gemäß der Erfindung kann in Form einer kreisrunden Scheibe aus einem durchbrochenen, feuerbeständigen Keramikmaterial hergestellt werden. Das Keramikmaterial kann entweder mit einem Überzug aus einem die Verbrennung unterstützenden Katalysator material versehen werden oder in seiner Zusammensetzung so gewählt werden, daß es selbst als ein die Verbrennung unterstützender Katalysator wirkt. Die katalytisch wirksamen Bestandteile des Katalysators bestehen im wesentlichen aus Metall, das entweder metallisch oder in Form von Oxyden in Keramikmaterial eingelagert ist. Solche katalytisch wirksamen Metalle sind bekannt und bestehen im wesentlichen aus Schwermetallen, wie z. B. Zirkon, Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Platin, Palladium, Iridium, Rodium, Ruthenium, C er metall, Kobalt, Nickel und Eisen.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysator-Regenerators umfaßt Verfahrensschritte, wie das Herstellen einer Schlämme aus Keramikmaterial aus Lithium-Aluminium-Silikat, dem Imprägnieren von Papier mit dieser Schlämme, dem Formen des auf diese Weise imprägnierten Papiers in gewellte Lagen und Aufeinander schichten dieser Lagen zum Bilden eines Gitterwerkes. Alternativ kann ein plastischer Magnesium-Aluminium-Silikatbrei in Platten mit einer Vielzahl von hochragenden Rippen gepreßt werden, die wieder auf einandergeschichtet ein Gitterwerk bilden. Ein auf diese Weise gebildeter Regeneratorkörper aus wärmespeicherndem Keramikmaterial kann nun z. B. durch Tauchen mit einem überzug aus Platin-Silber oder einem anderen geeigneten, die Verbrennung unterstützenden Katalysatormaterial versehen werden.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Katalysator-Regenerators kann darin bestehen, daß Streifen aus einem gewellten, hitzebeständigen Material (das als wärmeaufnehmender

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Regenerator und als die Verbrennung unterstützender Katalysator wirksam ist) unter Zwischenlage von vergasbaren Einlagen aufeinander geschichtet werden und hierauf zu einer Spirale gerollt werden. Nach dem Vergasen der Zwischenlagen ergibt sich ein gewünschter, durchbrochener Regeneratorkörper.

Funktion s wei se

Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in einem gewünschten Verhältnis (es kann, falls erwünscht, im mageren Bereich von 100 : 1 bis 250 : 1 liegen) wird kontinuierlich dem Raum 19 zugeführt, während die Zündkerze 42 fortlaufend gezündet wird. Sobald die Temperatur im heißen Raum 19 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, wird nachfolgend nur mehr Kraftstoff und Luft im erforderlichen Verhältnis zugeführt.

Im heißen Raum 19 wird ein Druck-Temperatur-Verhältnis aufrecht erhalten, das einerseits geeignet ist, die interne Verbrennung zu stützen und andererseits günstig ist, um einen wirksamen Stirling-Zyklus zu erzielen. Das innere Gas volumen wird entsprechend dem bekannten Stir lung-Zyklus zwischen dem heißen Raum 19 und denn kalten Raum 18 verlagert. Da hier jedoch ein halboffener Arbeitsmittelkreis vorhanden ist, wird der Anteil des Arbeitsmittels, der nichtnur Luft sondern auch Verbrennungsprodukte enthält, ständig durch eine entsprechende Einrichtung ergänzt. Das interne Arbeitsmittel wird hierbei durch die im Pump raum 20 über den Kolben 17 komprimierte Luft, die dem heißen Raum 19 zugeführt wird, ständig auf erhöhtem Druck und Temperatur gehalten, während der Kolben 16 im heißen Raum 19 Verbrennungsprodukte enthaltende Anteile des Arbeitsmittels in den kalten Raum 18 verlagert, von wo sie nach erfolgter Kompression bei gleichem Druck in die UmgebungsatmoSphäre abgeführt werden.

Die Verbindung der verschiedenen Kolben mit dem Kurbeltrieb ist hierbei so gewählt, daß der Kolben 16 während der Expansion bei gleichem

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Druck im Raum 19 den Hauptteil an Arbeitsenergie auf den Kurbeltrieb überträgt, während der Kolben 15 während der Kompression bei gleichem Druck einen geringeren Anteil an Arbeitsenergie auf den Kurbeltrieb überträgt und der Kolben 17 vom Kurbeltrieb die zur Verdichtung der Luft erforderliche Arbeitsenergie aufnimmt.

In Fig. 1 sind die Kolben in ihren Lagen gezeichnet, die sie nach Abschluß der Expansion bei gleichem Druck (ideal betrachtet) einnehmen. Während dieser Phase sind alle Ventile mit Ausnahme des Ventil es 43» über das frische Luft in den Pumpraum 20 gesaugt wird, geschlossen. Dem Arbeitsmittel im Raum 19 war vorhergehend Kraftstoff zugeführt und dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt worden, wodurch die erforderliche Wärmemenge zur Volumensänderung im heißen Raum 19 bereit gestellt und durch die Expansionsbewegung des Kolbens 16 die Arbeitsenergie gewonnen wurde. Die interne Verbrennung wurde hierbei durch den Katalysator-Regenerator 11 während des Expanionshubes des Kolbens 16 eingeleitet und aufrecht erhalten. Die katalytischen Bestandteile des Katalysator-Regenerator 8 11 arbeiten hierbei bei einer Temperatur, die angenähert der theoretischen, adiabatischen Flammentemperatur des dem heißen Raum 19 zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches entspricht.

Bei dieser Gelegenheit muß daraufhingewiesen werden, daß der Kurbelarm 29 des Kolbens 17 um 90 gegenüber dem Kurbelarm 23 des Kolbens 16 und der Kurbelarm 26 des Kolbens 15 um 135 zum Kurbelarm 23 des Kolbens 16 versetzt ist.

In Fig. 2 sind die Kolben in ihren Lagen gezeichnet, die sie bei Beendigung der Verlagerung des Arbeitsmittels bei gleichem Volumen vom heißen Raum 19 über den Katalysator-Regenerator 11 (der hierbei dem heißen Arbeitsmittel Wärme entzieht und speichert) in dem kalten Raum 18 einnehmen. Die Ventile 47 und 48 sind hierbei geöffnet, um die Verlagerung des Arbeitsmittels über die Verbindungsleitung 21 zu ermöglichen. Über

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das Ventil 43 wird weiterhin frische Luft in den Pumpraum 20 angesaugt. Die Verlagerung des Arbeitsmittels erfolgt hierbei ideal betrachtet bei konstantem Volumen. Der Katalysator-Regenerator 11 wirkt hierbei beim Aufwärtshub des Kolbens 16 in ähnlicher Weise wie ein katalytischer Abgaskonverter, in dem unverbrannte Anteile in den Abgasen beim Durchtritt chemisch umgewandelt werden. Auf diese Weise wirkt der erfindungs gemäße Katalysator-Regenerator sowohl als Verbrennungskatalysator als auch als Abgaskonverter.

In Fig. 3 sind die Kolben in ihren Stellungen gezeigt, die sie bei Abschluß der Kompression bei gleichem Druck (ideal betrachtet) einnehmen. Hierbei sind alle Ventile geschlossen und die Luft im Pumpenraum 20 wird über den Kolben 17 komprimiert.

In Fig. 4 sind die Kolben in ihren Stellungen gezeigt, die sie bei Abschluß der Verlagerung des Arbeitsmittels bei gleichem Volumen vom Pumpraum 20 über den Katalysator-Regenerator 11 (der hierbei die gespeicherte Wärme an die komprimierte Luft abgibt) in den heißen Raum 19 einnehmen. Diese Volumensverlagerung erfolgt ideal betrachtet bei gleichem Druck. Die Ventile 45 und 46 sind hierbei geöffnet, um die Verlagerung des Arbeitsmittels über den Verbindungskanal 36 zu ermöglichen. Die Ventile 47 und 48 sind hierbei geschlossen und verhinder somit eine RückÜbertragung von verbrauchten Arbeitsmitteln aus dem kalten Raum 18 in den heißen Raum 19. Das im kalten Raum 18 vorhandene entspannte Arbeitsmittel 18 wird über das geöffnete Ventil 49 und die Auslaßleitung 38 in die Umgebungsatmosphäre ausgestoßen.

Ein erfindungsgemäßer Erics son-Stirling-Motor entsprechend den Fig. 1 bis 4 vermeidet Verluste durch geringeren Motor wirkungsgrad, die sich bei bekanntenAnordungen von Regerantoren durch mögliche Leck-

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wege des Arbeitsmittelsund durch größere»wirksame Räume ergeben haben.

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Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Katalysator-Regenerator eine interne Verbrennung mit niedrigeren Spitzentemperaturen, wodurch einerseits die Abgasemission verbessert wird und andererseits, was besonders wichtig ist, der Motor aus bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren üblichen und preiswerteren Materialien, wie Gußeisen oder Aluminium, hergestellt werden kann. Durch die zusätzliche Pumpkammer und die nicht umkehrbare Arbeitsmittel-Strömung wird der kalte Raum der Motor - Einheit stets wirksam von Verbrennungsgasen befreit, wobei dem heißen Raum in Abstimmung mit dem Stirling-Zyklus stets frische komprimierte Luft zugeführt wird.

Es ist wichtig, daraufhinzuweisen, daß die Kraftstoffzufuhr nicht in zeitlicher Abhängigkeit von den Zyklen des Motors erfolgen mud, da deren Hauptzweck lediglich darin liegt, dem Arbeitsmittel die erforderliche Wärmemenge zuzuführen, um die Arbeitstemperatur aufrecht zu erhalten. Vorzugsweise wird jedoch diese interne Verbrennung so gesteuert, daß sie während des Expansionshubes des Kolbens 16 erfolgt, da das durch die interne Verbrennung erhöhte Druckniveau während der Expansion die nutzbare Arbeitsenergie vergrößert.

Der maximale Druck im Arbeitsmittelvolumen kann hierbei im Bereich zwischen 100 und 300 bar liegen und die Temperatur im heißen Raum kann zwischen 735 C und 926 C betragen. Vorzugsweise wird der Druck im kalten Raum bei etwa 84 bar gehalten, wobei jedoch im allgemeinen bei einem Motor für die Verwendung in Kraftfahrzeugen der Druck im kalten Räumen zwischen 7 bis 210 bar bei Vollast liegen kann. Das Kompressionsverhältnis im typischen Bereich von 2:1 bis 2, 5 : 1 bestimmt daraus den Druck im entsprechenden heißen Raum. Ein maximaler Druck von etwa 210 bar wird bei zur Anwendung in Kraftfahrzeugen bestimmten Stirling-Motoren häufig beobachtet.

In den Fig. 5 bis 8 sind die wesentlichen Teile einer anderen Auführungs-

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form eines erfindungsgemäßen Erics son-Stirling-Motors gezeigt. Ein Motorgehäuse 50 weist zwei Zylinder 51 und 52 auf. Je ein Kolben 53 und 64 sind in den Zylindern 52 und 51 auf- und abbewegbar angeordnet und bilden mit diesen geschlossene, in ihrem Volumen variable Räume 54 und 55. Der Kolben 53 ist hierbei über eine Pleuelstange 70 mit einem Kurbelarm 69 einer Kurbelwelle 68 verbunden, während der Kolben 64 über eine Pleuelstange 65 mit einem Kurbelarm 66 der Kurbelwelle 68 verbunden ist. Die beiden Räume 54 und 55 stehen hierbei über eine über Ventile 59 und 58 gesteuerte Verbindungsleitung 57 zeitweise miteinander in Verbindung. In dem den heißen Raum 55 bildenden Zylinder 51 ist im unteren Bereich seines Verdichtungsraumes ein erfindungsgemäßer Katalysator-Regenerator 56 angeordnet, der den Verdichtungsraum gegenüber dem unmittelbar anschließenden Hub raum des Zylinders abgrenzt. Der den kalten Raum 54 bildende Zylinder 52 steht über eine eine über ein weiteres Ventil 60 gesteuerte öffnung mit einer Auslaßleitung 63 mit der Umgebung satmoSphäre und über im unteren Bereich des Zylinders 52 angeordnete, vom Kolben 53 gesteuerte Über Strömöffnungen 62 in Verbindung mit einer Einlaßleitung von einem Druckgebläse 61.

Auch hier ist im heißen Raum 55 im vom Katalysator-Regenerator 56 abgetrennten Verdichtungsraum eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 41 und im Bereich des Hubraumes eine Zündeinrichtung 42 angeordnet.

Es wird daraufhingewiesen, daß der Kurbelarm 69 des Kolbens 53 gegenüber dem Kurbelarm 66 des Kolbens 64 winkelmäßig versetzt ist.

In Fig. 5 sind die Kolben in ihren Stellungen gezeigt, die sie nach Abschluß der Expansion bei gleichem Druck (ideal betrachtet) einnehmen. Die vom Katalysator-Regenerator 56 unterstützte interne Verbrennung hat hierbei bereits stattgefunden und die Ventile 58 und 59 sind geschlossen. Das Ventil 60 zur Auslaßleitung 63 ist gleichfalle geschlossen und die Überströmöffnungen 62 vom Druckgebläse 61 sind vom Kolben 53

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blockiert.

In Fig. 6 sind die Kolben 64 und 53 in ihren Stellungen gezeigt, die sie bei Abschluß der Verlagerung des Arbeitsmittels (ideal betrachtet bei konstantem Volumen) vom heißen Raum 55 zum kalten Raum 54 einnehmen. Die Ventile 58 und 59 sind geöffnet, um die Volumenverlagerung über die Verbindungsleitung 57 zu ermöglichen. Das durch den Katalysator-Regenerator 56 strömende heiße Arbeitsmittel gibt Wärme an diesen ab, die in diesen gespeichert wird, wobei der erfindungsgemäße Katalysator-Regenerator bei einer niedrigeren Temperatur als während der Verbrennung als Abgaskonverter wirkt. Der Kolben 53 befindet sich hierbei in einer Lage, bei der er die Überströmöffnungen 62 öffnet.

In Fig. 7 sind die Kolben in ihren Stellungen gezeigt, die sie nach Abschluß der Kompression des Arbeitsmittels im heißen Raum 55 (ideal betrachtet bei gleichem Druck) einnehmen. Die Ventile 58 und 59 sind hierbei geschlossen und das Ventil 60 ist geöffnet, wodurch verbrauchtes Arbeitsmittel durch die über die Überströmöffnungen 61 einströmende komprimierte Luft in die Auslaßleitung 63 gedrängt wird.

In Fig. 8 sind die Kolben in ihren Stellungen gezeigt, die sie nach Abschluß der Verlagerung des Arbeitsmittels aus dem kalten Raum 54 in den heißen Raum 55 einnehmen. Das Ventil 60 ist hierbei geschlossen und die Ventile 59 und 58 sind geöffnet, um die Volumenverlagerung über die Verbindungsleitung 57 zu ermöglichen. Das frische Arbeitsmittel nimmt hierbei Wärme aus dem Katalysator-Regenerator 56 auf.

Bei der Ausführungsform entsprechend den Fig. 5 bis 8 ist der erfindungsgemäße Katalysator-Regenerator 56 mit einem die Verbrennung fördernden katalytischen Material, wie z. B. Pentoxyd überzogen. Auch hier müssen im halboffenen Arbeitsmittelkreis die in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Bedingungen für eine

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katalytische Verbrennung geschaffen werden, d.h. es muß bei einem hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein hoher Druck und eine hohe Temperatur im Arbeitsmittelkreis aufrecht erhalten werden. Durch die Anwendung einer umkehrbaren Arbeitsmittel-Strömung wird einerseits ein guter Kontakt des Luft-Kraftstoff-Gemisches mit den katalytisch wirksamen Oberflächen des erfindungsgemäßen Katalysator-Regenerators 56 erzielt und andererseits eine erwünschte Beimischung eines bestimmten Anteiles von Abgas zu dem in dem heißen Raum 55 eingeführten, enthaltenden Arbeitsmittel erzielt.

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Claims

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Patentansprüche

Ericsson-Stirling-Motor mit einem halboffenen Arbeitsmittelkreis, in dem in einer Anzahl von Zylindern angeordnete und über einen Kurbeltrieb abgestimmt auf- und abbewegbare Arbeitskolben in den Zylindern heiße und kalte Räume bilden und das einen Kraftstoffanteil enthaltende Arbeitsmittel über eine, über Ventile gesteuerte und einen Regenerator enthaltende Verbindungsleitung aus einem kalten Raum in einen heißen Raum verlagern und dem Arbeitsmittel während seiner Expansion Arbeitsenergie entziehen und wobei dem Arbeitsmittel über eine intermittierende, interne Verbrennung von Anteilen des Arbeitsmittels wieder Wärme zuführbar ist und eine Einrichtung zur Ergänzung des Arbeitsmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den heißen Raum (19 bzw 55) bildenden Zylinder (12 bzw 51) ein die interne Verbrennung unterstützender Katalysator (11 bzw 56) angeordnet ist.

Ericsson-Stirling-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den heißen Raum (19 bzw 55) bildenden Zylinder (12 bzw 51) ein wärmeaustauschender Regenerator (11 bzw 56) angeordnet ist.

Ericsson-Stirling-Motor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzei chn e t, daß in dem den heißen Raum (19 bzw 55) bildenden Zylinder (12 bzw 51) ein im äußersten Abschnitt des Verdichtungsraumes der Zylinder-Kolben-Einheit angeordneter, den gesamten Zylinderquerschnitt überspannender und sich unmittelbar an den Hubraum anschließender Katalysator-Regeierator (11 bzw 56) angeordnet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Ericsson-Stirling-Motor mit einer nicht umkehrbaren Arbeitemittel-Strömung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daU der den heißen Raum (19) bildende Zylinder (12) über einen Luftkompressor in Form einer über Ventile (43 und 45) gesteuerten und über einen Verbindungskanal (36) mit dem Zylinder (12) verbundenen, an den Kurbeltrieb angeschlossenen weiteren Zylinder-Kolben-Einheit (14/17) mit komprimierter Luft beaufschlagbar ist.

5. Ericsson-Stirling-Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Verbindungsleitung (21) zwischen dem kalten und dem heißen Raum (18 und 19) zusammen mit den Volumen der Verdichtungsräume des kalten und heißen Raumes (18 und 19) den unwirksamen Raum der Arbeitseinheit bilden.

6. Ericsson-Stirling-Motor mit einer umkehrbaren Arbeitsmittel-Strömung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den kalten Raum (54) bildende Zylinder (52) über einen Luftkompressor in Form ο ines angetriebenen Druckgebläses (61) über im unteren Bereich des Zylinders (52) angeordnete und vom Kolben (53) gesteuerte Überströmöffnungen (62) mit komprimierter Luft beaufschlagbar ist.

7. Ericsson-Stirling-Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Verbindungsleitung (57) zwischen dem kalten und dem heißen Raum (54 und 55) zusammen mit dem Volumen des Verdichtungsraumes des heißen Raumes (55) und dem Volumen des Zylinder räumes des kalten Raumes (54) den unwirksamen Raum der Arbeitseinheit bildet.

709883/0772

Ford / US-860 / 25. Juni 1977

2730U7

8. Ericseon-Stirling-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeic hn e t, daß der Katalysator-Regenerator (11 bzw 56) au β einem durchbrochenen, feuerbeständigen Gitterwerk aus wärme epeicherndem Keramikmaterial in Verbindung mit überzügen oder Einlagerungen von die interne Verbrennung unterstützenden Katalysatormaterialien besteht.

9. Eric s son-Stirling-Motor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator-Regenerator (11 bzw 56) aus einem durchbrochenen Gitterwerk aus feuerbeständigem, katalytisch wirksamen Metallmaterial besteht.

709883/0772