DE2730185A1

DE2730185A1 - Einrichtung zum erleichtern des startens eines stirlingmotors

Info

Publication number: DE2730185A1
Application number: DE19772730185
Authority: DE
Inventors: Richard C Belaire
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: JPS5738774B2; NL7707656A; US4026114A; JPS5359153A; GB1581681A; CA1054382A; SE7707937L

Description

Einrichtung zum Erleichtern des Startens eines Stirlingmotor3

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erleichtern des Startens eines Stirlingmotors mit einem geschlossenen Arbeitsmittelkreis, in dem in einer Anzahl von Zylindern angeordnete, doppelt wirkende Arbeitskolben in den Zylindern heiße und kalte Räume bilden und ein Arbeitsmittel über eine einen Regenerator und einen Kühler enthaliende Verbindungsleitung aus einem heißen Raum in den kalten Raum des benachbarten Zylinders hin- und herführen.

Die Anordnung von doppelt wirkenden Arbeitskolben und/oder von doppelt wirkenden Verdrängern innerhalb eines geschlossenen Arbeitsmittelkreises eines Stirlingmotors wurde als vorteilhaft für eine kompakt bauende und leistungsfähige Motoreinheit angesehen, da hier nur ein sich bewegender Teil pro Zyklus vorhanden ist. Bei einem vierzylindrigen Stirlingmotor mit doppelt wirkenden Arbeitskolben wird jeder Zylinder durch den Kolben in einen heißen und einen kalten Raum aufgeteilt. Der heiße Raum eines Zylinders ist über einen Erhitzer, einen Regenerator und einen Kühler mit dem kalten Raum des nächsten benachbarten Zylinders verbunden. Diese Form der Anordnung führt der Motorwelle

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Sitz der Gesellschaft: Köln Registergericht Köln, HRB 84 Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger Vorstandi Peter Weiher, Vorsitzender

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

Ford / US-859 / 28. Juni 1977

mehr Arbeit zu als die Anordnung, bei der das Arbeitsmittel komprimiert wird, vorausgesetzt, die Veränderungen des Volumens im heißen Raum sind gegenüber den Veränderungen des Volumens im kalten Raum in der Phase ausreichend vorverlegt. Bemerkenswert ist, daß bei einer Anordnung von doppelt wirkenden Arbeitskolben der Kolben nicht nur w ährend des Abwärtshubes Energie vom Arbeitsmittel auf die Motor -welle überträgt sondern auch während des Aufwärtshubes, da jeder Kolben zwischen zwei Systemen angeordnet ist. Dies ist bei Stirlingmotoren mit einfach wirkenden Arbeitskolben nicht der Fall. Der Aufwärtshub eines doppelt wirkenden Arbeitskolbens fällt zu einem großen Teil mit der Expansion des dem Kolben vorlaufenden Systems und mit der Kompression des dem Kolben nachlaufenden Systems zusammen. Andererseits fällt der Abwärtshub des Arbeitskolbens zu einem großen Teil mit der Expansion des dem Kolben nachlaufenden Systems und mit der Kompression des dem Kolben vorlaufenden Systems zusammen. Bei einem vierzylindrigen, doppelt wirkende Arbeitskolben aufweisenden Stirlingmotor soll zwischen den Bewegungen der Kolben ene Phasenverschiebung von 90 vorliegen. Die Veränderungen der Volumen in den entsprechenden heißen und kalten Räumen wird hierbei gleichfalls um 90 phasenverschoben erfolgen. Selbstverständlich können ebenso Kombinationen mit mehr als vier Systemen ausgeführt werden, wobei eine entsprechend andere Phasenverschiebung erforderlich ist. Innerhalb bestimmter Grenzen hat dies wenig Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit des Motors, da die Kurve,die die Wirtschaftlichkeit des Heißgasprozesses darstellt, eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den heißen und kalten Räumen ist und nahezu konstant nahe dem Maximum liegt. Die Verbindung zwischen den heißen und kalten Räumen muß hierbei so erfolgen, daß Veränderungen des Volumens im heißen Raum auftreten müssen bevor Veränderungen des Volumens im kalten Raum der gleichen thermodynamisehen Einheit auftreten. Die Reihenfolge der Bewegung der Kolben bestimmt die Drehrichtung des Motors. Entsprechend der gewünschten Leistung des Motors können eine Vielzahl von Zylindern in

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den verschiedensten Anordnungen, wie Reihen-, V-, Stern- und Quadratanordnung, angeordnet werden. Bei der Anordnung von vier Zylindern in einer Quadratanordnung hat sich ein Taumelscheibenantrieb für die Motorabtriebswelle als geeignet erwiesen.

Trotz der offensichtlichen Vorteile einer Anordnung von doppelt wirkenden Arbeitskolben bei einem Stirlingmotor, ergeben sich hierdurch bei einem Absterben des Motors kritische Probleme. Beide Seiten ein und desselben Arbeitskolbens werden benutzt, um in zwei getrennten und separaten thermodynamisehen Einheiten zu wirken. Beim Starten eines kalten Motors oder beim Starten eines abgestorbenen Motors herrscht bei einem Stirlingmotor mit doppelt wirkenden Arbeitskolben in charakteristischer Weise in den Zylindern oberhalb und unterhalb der Kolben der gleiche Druck. Da jedoch die Flächen.über die der gleiche Druck wirkt, unterschiedlich sind, was sich aus der Tatsache ergibt, daß an einer Seite des doppelt wirkenden Arbeitskolbens die die wirksame Fläche verringernde Kolbenstange angreift, ergeben sich insbesondere beim Starten eines abgestorbenen Motors bei hohem ausgeglichenem Systemdruck Schwierigkeiten beim Wiederstarten des Motors, die zum Teil so groß sind, daß sie nicht überwunden werden können.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zum Erleichtern des Startens eines Stirlingmotors mit doppelt wirkenden Arbeitskolben zu schaffen, mit deren Hilfe die aufgezeigten Schwierigkeiten einfach und sicher zu überwinden sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem an einem Stirlingmotor die in den Patentansprüchen aufgezeigten Einrichtungen vorgesehen werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines parallel zur normalen Verbindungsleitung liegenden weiteren Verbindungskanales, in dem eine Druck-

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ausgleichseinrichtung angeordnet ist, die über eine den Verbindungskanal auf- oder absperrende Steuereinrichtung wirksam oder unwirksam gemacht werden kann, wird bei sonst unbeeinträchtigter normaler Funktionsweise des Stirlingmotors eine Möglichkeit geschaffen, einen abgestorbenen Motor leichter wieder Starten zu können.

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines herkömmlichen Stirlingmotors mit doppelt wirkenden Arbeitskolben mit einem sich über zwei benachbarte Zylinder erstreckenden geschlossenen Arbeitsmittelkreis;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Stirlingmotors mit doppelt wirkenden Arbeitskolben ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Erleichtern des Startens.

In Fig. 1 ist der geschlossene Arbeitsmittelkreis 7 eines Stirlingmotors mit doppelt wirkenden Kolben schematisch dargestellt. Eine Vielzahl von Zylindern, von denen hier nur zwei benachbarte Zylinder 10 und 11 gezeigt sind, weisen hin- und herbewegliche doppelt wirkende Arbeitskolben 8 und 9 auf, die jeden Zylinder 10 und 12 in einen oberen heißen Raum 13 bzw 15 und einen unteren kalten Raum 14 bzw 16 unterteilen. Jeder heiße Raum des einen Zylinders ist über eine entsprechende Verbindung 26 mit dem kalten Raum des benachbarten Zylinders verbunden. Eine solche Verbindung kann aus einer Verbindungsleitung 27 bestehen, in die ein Regenerator 28 und ein Kühler 29 eingeschaltet ist. Die Verbindungsleitung 27 führt aus dem heißen Raum 13 verdrängtes Gas über den Regenerator 28, wo ein Wärmeaustaustausch erfolgt und über den Kühler 29, wo eine weitere Abkühlung erfolgt, in den kalten Raum 16. Während einer anderen Phase des Arbeitszyklus eines Stirlingmotors wird dieses

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Gas aus dem kalten Raum 16 verdrängt und über die Verbindungsleitung 27, den Kühler 29 und den Regenerator 28, in dem eine Wärmeaufnahme erfolgt, wieder in den heißen Raum 13 geführt.

Die Steuerung und Funktion eines Stirlingmotors mit doppelt wirkenden Arbeitskolben gehört bereits zum Stand der Technik und ist beispielsweise in der US-PS 3 859 792 ausführlich beschrieben, so daß hier auf die Funktion und Steuerung eines Stirlingmotors im Hinblick auf Drehzahl und Drehmoment nicht näher eingegangen wird.

Die Kolben 8 und 9 sind mechanisch derart miteinander verbunden, daß ihre Bewegungsabläufe phasenverschoben erfolgen, je nach den gewünschten Veränderungen des Volumens in den Zylindern. Der Kolben 8 nimmt nicht nur während einer Kompression des Raumes 14 Arbeitsenergie auf sondern er nimmt auch während einer Kontraktion des Raumes 13 Arbeitsenergie auf. Sobald beide Seiten ein und desselben Kolbens in zwei getrennten thermodynamischen Systemen wirksam sind, müssen die hierbei auftretenden Probleme beim Starten oder Wiederstarten eines Motors überwunden werden. Die Schwierigkeiten, die sich beim Starten eines kalten Motors oder beim Starten eines abgestorbenen Motors ergeben, werden durch die unterschiedlichen Arbeitsflächen der beiden Kolbenseiten hervorgerufen. Die Flächen der oberen Kolbenseiten 21 und 22 der Kolben 8 und 9 werden im wesentlichen vom Durchmesser der Kolben bestimmt. Die Fläche der unteren Seiten 23 und 24 der Kolben 8 und 9 wäre zwar prinzipiell gleich, da jedoch jeder Kolben 8 und 9 mit einer Kolbenstange 19 bzw 20 verbunden sein muß, wird diese Fläche durch die Fläche der Kolbenstange, die sich aus deren Durchmesser 25 ergibt, beeinträchtigt. Dementsprechend steht der wirksamen Fläche der Oberseite 21 des Kolbens 8 stets eine wirksame Fläche an der Unterseite 2 3 des Kolbens 8 gegenüber, die um die Fläche der Kolbenstange verringert ist. Auf andere Weise kann diese Situation festgehalten werden, indem man das Flächenverhältnis der Oberseite21 zur Unterseite 23

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feststellt, das immer geringer als 1 sein wird. Da sich wirkende Kraft immer aus dem Produkt von Druck auf Fläche ergibt, wird die auf die Oberseite 21 des Kolbens wirkende Kraft immer größer sein als die auf die Unterseite 23 wirkende Kraft sobald in den Räumen 13 und 14 im wesentlichen gleicher Druck herrscht. Dies ist jedoch bei einem abgestellten oder abgestorbenen Stirlingmotor der ausgezeigten Bauart in charakteristischer Weise der Fall und gilt für alle Zylinder-Kolben -Einheiten des Motors.

In Fig. 2 ist der geschlossene Arbeitsmittelkreis eines Stirling-Motors mit doppelt wirkenden Arbeitskolben gezeigt, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung zum Erleichtern des Startens eines Stirling-Motors eingeschaltet ist. In die Verbindung 26 zwischen einem heißen Raum und einem kalten Raum ist hierbei eine Druckausgleichseinrichtung 30 angeordnet. Die Druckausgleichseinrichtung 30 besteht aus einem Verbindungskanal 31, der parallel zur Verbindungsleitung 27 verläuft und in den eine Druckausgleicheeinrichtung 32, ein Einwegventil 33 und eine Steuereinrichtung 34 zum wahlweisen Auf- und Absperren des Verbindung skanales 31 angeordnet sind. Die Druckausgleichseinrichtung 32 oder besser die Druckverstärkungseinrichtung besteht aus einem zwei Steuerbünde 37 und 40 aufweisenden Ventilkörper 35, der in einer öffnung 36 verschiebbar gelagert ist. Der an einem Ende des Ventilkörpers 35 angeordnete Steuerbund 37 weist hierbei einen großen Durchmesser 38 auf und ist in einer entsprechenden Ventilbohrung 39 angeordnet. Der am anderen Ende des Ventilkörpers 35 angeordnete Steuerbund 40 weist hierbei einen kleineren Durchmesser 41 auf und ist in einer entsprechenden Ventilbohrung 42 angeordnet. Die Ventilbohrung 42 von kleinerem Durchmesser steht hierbei über einen Teil des Verbindung skanales 31 mit dem kalten Raum 14 und die Ventilbohrung 39 von größerem Durchmesser steht über einen Teil des Verbindung skanales 31 mit der Verbindungeleitung 27 in Verbindung.

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Die Steuereinrichtung 34 wird von einem Ventilschieber 44 gebildet, der in einer Ventilkammer 45 quer zur Verbindungsleitung 27 bewegbar ist. Der Ventilschieber 44 weist eine erste öffnung 46 auf und eine zweite schräge öffnung 46, die zueinander so angeordnet sind, daß, wenn die öffnung 46 im Verlauf der Verbindungsleitung 27 liegt, der Verbindungekanal 31 abgeschlossen ist, während, wenn die schräge öffnung 47 die Verbindungsleitung 27 mit dem Verbindungskanal 31 verbindet, der restiche Teil der Verbindungsleitung 27 abgeschlossen ist.

Das Einwengventil 33 besteht aus einem einfachen Kugelventil, das eine Gasströmung nur in Richtung des in Fig. 2 eingezeichneten Pfeiles (also in Richtung kalten Raum 14) zuläßt, eine Strömung in anderer Richtung jedoch verhindert.

Funktionsweise

Bei einem normalen Betrieb des Stirling-Motors befindet sich die Steuereinrichtung 34 in der Lage, in der die öffnung 46 im Ventilschieber 44 die Verbindungsleitung 27 offenhält und den weiteren Verbindungskanal 31 abschließt. Ist der Stirling-Met or aus irgendeinem Grund abgestorben, so wird die Steuereinrichtung in die Lage bewegt, in der die schräge öffnung 47 eine Verbindung zwischen der Verbindungsleitung und dem Verbindungskanal 31 herstellt, so daß Arbeitsmittel zur linken Seite 37 a des Steuerbundes 37 des Ventilkörpers 35 gelangen kann. Da die Fläche 37 a des Steuerbundes 37 größer ist als die Fläche 40 a des kleineren Steuerbundes 40 wird der Druck des Arbeitsmittels im Verbindungskanal 31 dafür sorgen, daß der Druck im kalten Raum 14 entsprechend erhöht wird. Die Differenz der Flächen der beiden Steuerbünde 37 und 40 muß hierbei so ausgelegt werden, daß die durch den Druck im kalten Raum auf die Fläche 23 des Arbeitskolbens ausgeübte Kraft gleich ist der Kraft, die durch den Druck im heißen Raum auf die Fläche 21 des Kolbens ausgeübt wird.

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Claims

Ford / US-859 / 28. Juni 1977 Patentansprüche ο η ο Γ) 1 O c

1.) Einrichtung zumErleichtern des Startens eines Stirling-Motors

mit einem geschlossenen Arbeitsmittelkreis, in dem in einer Anzahl von Zylindern angeordnete, doppelt wirkende Arbeitskolben in den Zylindern heiße und kalte Räume bilden und ein Arbeitsmittel über eine, einen Regenerator und einen Kühler enthaltende Verbindungsleitung aus einem heißen Raum in den kalten Raum des benachbarten Zylinders hin- und herführen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Verbindungsleitung (27) ein weiterer Verbindungskanal (31) vorgesehen ist, in dem eine Druckausgleichseinrichtung (DruckverStärkungseinrichtung) (32) angeordnet und über eine Steuereinrichtung (34) wahlweise auf- und absperrbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im weiteren Verbindungskanal (31) ein Einwegventile (33) angeordnet ist, das eine Strömung nur in Richtung von der Druckverstärkungseinrichtung (32) in den kalten Raum (14) zuläßt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckver Stärkungseinrichtung (30) von einem zwei Steuerbünde (37 und 40) aufweisenden Ventilkörper (35) gebildet ist, wobei der Steuerbund (37) mit größerem Durchmesser (38) dem Durchschnittsdruck in der Verbindungsleitung (27) aussetzbar ist und der Steuerbund (40) mit geringerem Durchmesser (41) den Druck im kalten Raum (14) verstärkt.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (34) von einem Ventilschieber (44) gebildet ist, der die Verbindungsleitung (27) offen und den Verbindungskanal (31) unterbrochen hält bzw wahlweise die Verbindungsleitung (27) unterbricht und eine Verbindung zum Verbindungskanal (31) öffnet.

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