DE2851806A1 - Stirling-kraftmaschine und verfahren zum betreiben einer solchen maschine - Google Patents

Stirling-kraftmaschine und verfahren zum betreiben einer solchen maschine

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DE2851806A1 DE19782851806 DE2851806A DE2851806A1 DE 2851806 A1 DE2851806 A1 DE 2851806A1 DE 19782851806 DE19782851806 DE 19782851806 DE 2851806 A DE2851806 A DE 2851806A DE 2851806 A1 DE2851806 A1 DE 2851806A1
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Description

  • Stirling-Kraftmaschine und Verfahren zum
  • Betreiben einer solchen Maschine Die Erfindung betrifft eine Stirling-Kraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.
  • Stirling-Maschinen bestehen aus einem am einen Ende beheizten Zylinder, einem im beheizten Zylinderende angeordneten Verdrängerkolben, einem im entgegengesetzten Zylinderende angeordneten Arbeitskolben und einem Kaltraum zwischen Verdrängerkolben und Arbeitskolben. Der Kaltraum weist normalerweise mit Ventilen geschlossen gehaltene Auslaß-und Einlaßanschlüsse auf. Nachdem in üblicher Weise sich das aufgeheizte Gas im beheizten Zylinderendteil ausdehnt und dabei den Verdrängerkolben und den Arbeitskolben bewegt, um dann in den Kaltraum einzutreten, wird das aufgeheizte Gas aus dem Kaltraum wieder abgegeben, um dann den Kaltraum mit frischem Gas auszufüllen, bevor beim nächsten Arbeitstakt von Arbeitskolben und Verdrängerkolben sich die beiden Kolben aufeinander zu bewegen, um eine Kompression des Gases zu bewirken und um das Gas vom Kaltraum in den beheizten Endteil des Zylinders zu fördern.
  • Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft bestimmte Verbesserungen an Stirling-Arbeitsmaschinen bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise. Diese Verbesserungen sind besonders geeignet für kleine Kraftmaschinen von geringer Leistung, welche mit einer Brennkraft- oder Solar-Wärmeenergiequelle betrieben werden können. Stirling-Kraftmaschinen sind bereits seit mehr als hundert Jahren bekannt. Generell enthalten solche Maschinen einen Zylinder mit zwei Kolben, von denen der eine als Verdrängerkolben und der andere als Arbeitskolben dient, welcher die Leistung abgibt.
  • Zwischen den zwei erwähnten Kolben befindet sich ein Zylinderraum.
  • Das dem Verdrängerkolben benachbarte Zylinderende ist beheizbar und mit äußeren oder inneren Kanälen versehen, über die der Gaswechsel , beispielsweise der Luftwechsel zwischen dem beheizten Zylinderende und dem Zwischenraum zwischen den beiden Kolben, den man im allgemeinen als Kaltraum bezeichnet, erfolgt.
  • Solche Stirling-Kraftmaschinen arbeiten im allgemeinen in einem Viertaktzyklus: Beim ersten Takt werden Arbeitskolben und Verdrängerkolben maximal voneinander entfernt, wobei der Kaltraum zwischen den Kolben ein Gas, beispielsweise Luft enthält. Beim zweiten Takt bewegen sich die Kolben, um das Gas zu komprimieren und dieses zum heißen Ende des Zylinders oberhalb des Verdrängerkolbens zu fördern.
  • Gleichzeitig bewegt sich der Verdrängerkolben gegen den Arbeitskolben nach unten, damit der Raum am heißen Zylinderende das Gas aus dem Kaltraum empfängt. Beim dritten Takt dehnt sich das nun am beheizten Zylinderende aufgeheizte Gas aus und drückt Verdrängerkolben und Arbeitskolben nach unten, damit der Arbeitskolben seinen Arbeitshub ausführen kann. Schließlich beim vierten Takt steigt der Verdrängerkolben wieder nach oben, so daß das Gas zum Kaltraum zurückkehrt. Anschließend wiederholt sich dieser Arbeitszyklus.
  • Zur Festlegung des Zeittaktes und zur Steuerung der Bewegungen von Verdrängerkolben und Arbeitskolben und zur Ubertragung der vom Arbeitskolben geleisteten Energie sind verschiedene Taktsteuergetriebe vorgesehen. Man hat auch schon solche Stirling-Maschinen mit mehreren Zylindern und Kolben versehen, um die abgegebene Leistung zu vergrößern.
  • Solche Stirling-Maschinen haben den Vorteil, daß sie mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten können, welche die Wärmeenergie liefern, weil die Wärme am einen Zylinderende an der Außenseite aufgebracht werden kann. So kann man eine Beheizungsvorrichtung mit offener Flamme verwenden, die natürliche oder synthetische Gase, Erdölerzeugnisse oder praktisch alle Stoffe verwenden kann, die sich verbrennen lassen und Wärme erzeugen. Im übrigen ist es mit einer Stirling-Brennkraftmaschine möglich, sie mit Sonnenenergie zu betreiben, indem man beispielsweise die Sonnenwärme über entsprechende Spiegel oder dergl.
  • auf das heiße Ende des Zylinders konzentriert, damit dort die notwendige Wärme entsteht. So kann man solche Stirling-Maschinen an alle Arten von verwendbaren Brennstoffen anpassen, wobei, da die Wärme von außen aufgebracht wird, im wesentlichen eine vollständige Verbrennung erreichbar ist, so daß sich die Schadstoffabgabe in die Außenluft auf einem Minimum halten läßt. Sofern die Stirling-Maschine mit Solarenergie betrieben wird, kann sie praktisch 100%ig umweltfreundlich betrieben werden.
  • Solche Stirling-Maschinen eignen sich besonders für Kleinantriebe, insbesondere, wenn - anders als bei Fahrzeugantrieben, bei denen die Energie intermzttierend und bei schnellen Beschleunigungen abgegeben werden muß -eine stetige Leistungsabgabe gefordert ist. Obwohl man auch bei Stirling-Maschinen beschleunigen kann, ist es relativ kompliziert, eine solche Arbeitsweise zu realisieren.
  • Obwohl Stirling-Kraftmaschinen bereits seit dem Anfang des 19. Jahrhunderts zur Verfügung stehen, sind diese Maschinen in Ungunst gefallen und wurden durch Viertakt-, Zweitakt- oder Diesel-Brennkraftmaschinen ersetzt. Erst seit kurzem, seitdem die Umweltverschmutzung öffentliches Interesse gefunden hat und die Brennstoffkosten gestiegen sind, interessierte man sich wieder für solche Kraftmaschinen. Die Bemühungen, solche Stirling-Maschinen einzusetzen, führten jedoch zu relativ komplexen und teuren Konstruktionen.
  • Der Kernpunkt der Erfindung liegt daher darin, eine Stirlingkraftmaschine bezüglich des Aufbaues und der Arbeitsweise so abzuwandeln, daß sie bei relativ geringen Kosten eine stetige Leistung abgeben kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Arbeitstakt von Stirling-Maschinen beibehalten, doch wird diese Arbeitsweise modifiziert bezüglich des Austreibens des aufgeheizten Gases , welches vom aufgeheizten Ende des Zylinders zum Kaltraum zurückkehrt und dann vor dem Kompressionshub des Arbeitskolbens durch Kaltgas ersetzt wird. Vorzugsweise geschieht dies durch einen Viertaktbetrieb des Arbeitskolbens in Verbindung mit einem Zweitaktbetrieb des Verdrängerkolbens.
  • Somit schlägt die vorliegende Erfindung vor, den Stirling-Zyklus bezüglich der Bewegung des Arbeitskolbens in den Kaltraum zur Kompression und zur Übertragung des Gases um den Verdrängerkolben herum und in das heiße Ende des Zylinders zu verwenden. Danach expandiert das aufgeheizte Gas sehr schnell, um den Verdrängerkolben und den Arbeitskolben vom aufgeheizten Ende des Zylinders fort zu bewegen.
  • Anschließend kehrt der Verdrängerkolben zum aufgeheizten Ende des Zylinders zurück, um den Kaltraum zu öffnen, der das nun aufgeheizte Gas empfängt.
  • Zu diesem Zeitpunkt des Arbeitszyklusses hat sich der Verdrängerkolben nach oben bewegt, d. h. er hat sich zum aufgeheizten des Zylinders zurückbewegt und es hat sich der Arbeitskolben vom Verdrängerkolben entfernt während der Kaltraum nun das aufgeheizte Gas enthält.
  • Nunmehr bleibt der Verdrängerkolben relativ stationär, während der Arbeitskolben einen weiteren Auf- und Abhub ausführt, d. h. der Arbeitskolben bewegt sich in Richtung auf den Kaltraum, während gleichzeitig ein Auslaßventil geöffnet wird, um das Gas aus dem Kaltraum auszulassen, welches auf grund der Kolbenbewegung ausgetrieben wird.
  • Nun bewegt sich der Kolben vom Kaltraum fort , um wiederum gleichzeitig einen Einlaßanschluß zu öffnen, so daß eine frische Gascharge in den Kaltraum angesaugt wird. Nachdem der Kaltraum wieder geladen ist, setzt sich der normale Stirling-Zyklus fort.
  • Zweck dieser abgewandelten Arbeitsweise ist es, innerhalb des Maschinenzylinders Kontaminationen und den Aufbau solcher Kontaminate zu verhindern und zusätzlich auch die Kraftmaschine mit niedrigerer Temperatur arbeiten zu lassen.
  • In der Praxis wird der Zylinder während eines jeden Zyklusses ausgespült oder gereinigt, wobei das frisch nachgeladene Gas oder die in den Kaltraum eintretende Luft die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Räumen erniedrigt, was dann zu einer höheren Leistungsabgabe führt.
  • Das heiße ausgetriebene Gas kann man verwenden, um die Verbrennungswärme am heißen Zylinderende zu liefern, oder aber es kann das heiße abgegebene Gas zur Außenluft abgegeben oder auch über einen geschlossenen Kreis geleitet werden, wo das Gas gekühlt wird.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau der Kraftmaschine zu vereinfachen und konventionelle Maschinenteile, insbesondere Maschinenteile für kleine Kraftmaschinen mit geringer Leistung zu verwenden. Beispielsweise lassen sich bekannte Einzylinder-Brennkraftmaschinen oder Rasenmäher-Antriebsmaschinen leicht für einen Stirling-Betrieb modifizieren. Diese Modifikation betrifft im wesentlichen den Fortfall der Zündeinrichtung und des üblichen Zylinderkopfes, der dann ersetzt wird durch einen Zylinderansatz für den Verdrängerkolben in Verbindung mit einem Heizbrenner für den Zylinderkopf oder einer entsprechenden Solarheizvorrichtung, welche die Solarwärme konzentriert. Zusätzlich kann ein Getriebe hinzugefügt werden, um die zeitliche Steuerung des Verdrängerkolbens zu bewirken. Im übrigen kann die konventionelle bisherige Maschinenkonstruktion mit Maschinengehäuse, Zylinder, Kolben, Kurbelwelle, Steuerwelle und Einlaß- und Auslaß-Ventil beibehalten bleiben. So läßt sich der Gesamtaufbau mit ganz erheblich geringeren Kosten realisieren, da eine erfindungsgemäße Maschine sich durchaus für die Massenfertigung eignet, für die billige Maschinenbauteile verwendbar sind.
  • Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer sehr prei'swerten, einfach aufgebauten und einfach arbeitenden Kraftmaschine, die über lange Zeiten eine relativ kleine Leistung abgeben kann, ohne dabei die Umwelt zu verschmutzen und ohne starke Arbeitsgeräusche zu erzeugen.
  • Die Kraftmaschine eignet sich vor allem für die Abdeckung eines billigen Energiebedarfes für kontinuierlich arbeitende Pumpen, Batterieladegeräte und dergl.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
  • In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stirling-Maschine, Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Vorderansicht der Maschine der Fig. 1, Fig. 3 die auf einander folgenden Takte im Arbeitszyklus bis 8 der erfindungsgemäßen Kraftmaschine, Fig. 9 eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Abgas für die Verbrennungswärme benutzt wird und Fig. 10 eine zweite abgewandelte Ausführungsform gemäß der das Abgas zum Kühlen und teilweisen Ersetzen durch einen geschlossenen Kreis geleitet wird.
  • Gemäß Fig. 1 und 2, welche die erfindungsgemäße Kraftmaschine in Querschnitten zeigt, besteht die Maschine aus einem Maschinengehäuse 10 mit einem Zylinder 11 und einem Kurbelgehäuse 12. In dem Zylinder 11 ist hin und her beweglich ein konventioneller Kolben 13 gelagert, welcher Kolbenringe 14 trägt.
  • Mit dem Kolben 13 ist über einen Lagerzapfen 16 eine Kolbenstange 15 angelenkt, deren anderes Ende über einen Kurbelzapfen 17 mit dem abgekröpften Teil der Kurbelwelle 18 verbunden ist.
  • Die Kurbelwelle 18 ist an gegenüberliegenden Enden in den Lagern 20 und 21 gelagert, die nur schematisch dargestellt sind. Wie schematisch dargestellt, ragt das freie Ende 22 der Kurbelwelle 18 aus dem Kurbelgehäuse 12 nach außen, um dort als Abtriebswelle zu dienen.
  • Am oberen Ende des Gehäuses 10 befindet sich ein Gehäusedeckel 25, an dem ein Zylinderansatz 26 befestigt ist, der den Maschinenzylinder verlängert. Innerhalb des Zylinderansatzes befindet sich ein Verdrängerkolben 28. Dieser Kolben 28 greift mit Spiel in den Zylinderansatz 26 ein.
  • Das Spiel beträgt beispielsweise 1,6 mm ringsum, wenn der Verdrängerkolben 28 beispielsweise einen Durchmesser von 38 mm hat. Das Spiel zwischen Verdrängerkolben 28 und Zylinderansatz 26 kann man entsprechend der nachfolgend zu beschreibenden Funktion variieren.
  • Der Zylinderansatz 26 umschließt einen heißen Endteil 29, der an seinem Ende von einer Stirnwand 30 begrenzt wird, die für die Beheizung beispielsweise konisch ausgebildet sein kann.
  • Oberhalb der Stirnwand 30 befindet sich ein Brenner 31 mit einer Düse 32, welche über die Brennstoffleitung 33 versorgt wird und das gezündete Brennstoff-Luftgemisch abgibt. Die Flamme und die heißen Verbrennungsgase 34 umgeben den heißen Endteil 29 des Zylinderansatzes 26 aufgrund einer Ummantelung 35, deren unteres Ende offen ist und einen ringförmigen Austrittsspalt 36 bildet, um die Verbrennungsprodukte zur Außenluft abzugeben.
  • Der Verdrängerkolben 28 ist mit einem seitlichen Schlitz 37 versehen, durch den sich eine Verdrängerkolbenstange 38 erstreckt, die mit dem Verdrängerkolben 28 über ein Schub-Drehgelenk verbunden ist, um zusätzlich eine Relativbewegung zwischen Kolbenstange 38 und Gelenk 39 zu ermöglichen. Das gegenüberliegende Ende der Kolbenstange 38 ist bei 40 mit; einer drehbaren Stange 41 verbunden, die eine Nabe 42 trägt, welche mit einem Lenker 43 verbunden ist, dessen gabelförmiges Ende 44 über einen Gelenkbolzen 45 mit einem weiteren Lenker 46 verbunden ist.
  • Der, wie Fig. 1 zeigt, im wesentlichen vertikal ausgerichtete Lenker 46 ist an seinem unteren Ende über einen Gelenkbolzen 47 mit dem gabelförmigen Ende 48 eines Stößels 49 verbunden.
  • Der Stößel 49 ragt durch eine Kammer 50 des Gehäuses 10 hindurch und endet an einer Platte 41 , die eine Nocke 52 einer Steuerwelle 53 beaufschlagt. Die Steuerwelle 53 trägt ein Zahnrad 54 , welches in ein von der Kurbelwelle 18 getragenes Zahnrad 55 eingreift.
  • Die Steuerwelle 53 ist, wie Fig. 2 zeigt, an ihren gegenüberliegenden Enden bei 56 und 57 im Kurbelgehäuse gelagert.
  • Innerhalb der Kammer 50 ist auf dem Stößel 49 eine Ringscheibe 48 befestigt, auf der sich eine Schraubenfeder 59 abstützt, deren gegenüberliegendes Ende an der oberen Wand der Kammer 50 anliegt. Diese Feder 59 drückt normalerweise den Stößel 49 nach unten gegen die Nocke 52, welche den Stößel 59 entgegen der Federkraft nach oben bewegen kann.
  • Der Deckel 25 begrenzt einen Hohlraum und bildet einen Kanal 61, welcher einen Auslaßkanal 62 und minen Einlaßkanal 63 im Gehäuse 10 überdeckt. Der Auslaßkanal 62 kann mit einem Auslaßventil 64 und der Einlaßkanal 63 mit einem Einlaßventil 65 geschlossen gehalten werden.
  • Die Verschlußstücke der beiden Ventile 64 und 65 befinden sich an den Enden von Ventilstangen 66, die am unteren Ende eine Widerlagerplatte 67 tragen. Druckfedern 68 zwischen den Widerlagerplatten 67 und einer oberen Gehäusewand drücken die Ventile 64 und 65 in die Schließlage. Unterhalb der Widerlagerplatten 67 befinden sich Stößel 69 in Führungsbohrungen 70, welche an ihren unteren Enden eine Auslaßsteuernocke 72 bzw. eine Einlaßsteuernocke beaufschlagen. Die Nocken 72 und 73 befinden sich auf der Steuerwelle 53.
  • Zwischen der Unterseite des Verdrängerkolbens 28 und der Oberseite des Arbeitskolbens 13 befindet sich ein Zylinderraum 75, den man im allgemeinen als "Kaltraum" bezeichnet, da die Temperatur in ihm erheblich kälter ist als am heißen Ende 29 des Zylinderansatzes 28. Der Kaltraum 75 steht mit den Einlaß- und Auslaßkanälen 62 und 63 über eine Öffnung 76 im Inneren des Deckel 25 in Verbindung (Fig. 2). Der Kaltraum 75 selbst wird mit am Gehäuse 1 angegossenen Rippen 77 gekühlt, um eine Kühlung durch die Außenluft zu ermöglichen.
  • Arbeitsweise Die Fig. 3 bis 8 erläutern schematisch die einzelnen Takte des Arbeitszyklusses. Bei der Betriebsstellung gemäß Fig. 3 hat der Kaltraum 75 etwa seine maximale Größe, während der Arbeitskolben 13 sich nach oben bewegt, um das Gas, beispielsweise Atmosphärenluft innerhalb des Kaltraumes 75 zu komprimieren. Das Gas wird nach oben durch den Ringspalt zwischen Verdrängerkolben und Zylinderansatz 29 nach oben geschoben, so daß dieses Gas den heißen Endteil des Zylinderansatzes 26 erreicht. Während dessen beginnt, wie Fig. 4 zeigt, der Verdrängerkolben 28 eine Abwärtsbewegung, so daß am Ende des Zylinderansatzes ein heißer Endraum 78 sich mit dem vom Kaltraum übertragenen Gas füllt . Dieses Gas erwärmt sich sehr schnell und expandiert nahezu explosionsartig, sofern der Zylinderstirnwand 30 genügend Wärme zugeführt wird. Es kommt daher zu einer sehr schnellen Abwärtsbewegung des Verdrängerkolbens 28 und auch des Arbeitskolbens, wie es Fig. 5 erkennen läßt. Hierdurch entsteht der Arbeitshub des Kolbens, d. h. es entsteht die Energie, mit der die Kurbelwelle 18 gedreht wird und damit auch der außenliegende Teil 22 der Kurbelwelle 18.
  • Nun als nächstes bewegt sich, wie Fig. 6 zeigt, der Verdrängerkolben 28 wieder nach oben in den heißen Endteil des Zylinderansatzes 29 hinein, um hierdurch den Kaltraum wieder zu vergrößern,und der Arbeitskolben beginnt, sich ebenfalls nach oben zu bewegen. An dieser Stelle des Arbeitszyklusses bleibt der Verdrängerkolben in seiner höchsten Stellung, während der Arbeitskolben sich in Richtung auf seine höchste Stellung gemäß Fig. 7 bewegt. Während der Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens wird das Auslaßventil 64 von der Steuernocke 73 geöffnet, so daß das im Kaltraum enthaltende heiße Gas ausgetrieben wird. Die Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens unterstützt diesen Auslaßvorgang.
  • Als nächstes bewegt sich der Arbeitskolben, wie Fig. 8 zeigt, nach unten, während der Verdrängerkolben in der obersten Stellung verbleibt. Während dieser Zeit ist das Auslaßventil 64 geschlossen, aber das Einlaßventil 65 geöffnet. So kann auf diese Weise in den Kaltraum frisches Gas angesaugt werden.
  • Beispielsweise kann frische Atmosphärenluft angesaugt werden.
  • Anschließend wiederholt sich der Maschinenarbeitszyklus in gleicher Weise.
  • Durch das Austreiben und Wiederauffüllen des Gases im Kaltraum ergibt sich ein Spültakt, der nicht nur den Zylinder von Verschmutzungen, unerwünschten Ölablagerungen oder Schmutzresten im Kurbelgehäuse und dergleichen reinigt, sondern auch die Temperatur im Kaltraum vermindert, während ein Wechsel von heißen Gas zu kaltem Gas erfolgt.
  • Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird das am Auslaßkanal 62 abgegebene Gas über eine Leitung 80 zu einer Mischkammer oder einem Vergaser 81 übertragen. Dieser Vergaser 81 ist nur schematisch angedeutet und weist neben einer Brennstoffeinlaßleitung 82 auch eine Frischluftzufuhrleitung 83 auf, so daß das heiße Gas aus dem Kaltraum, insbesondere wenn es sich um Luft handelt, dazu dienen kann, das Brennstoffluftgemisch in der Mischkammer des Vergasers 81 aufzuheizen, damit das Gasgemisch anschließend über die Mischrohrleitung 33a zur Düse 32 übertragen werden kann. Auf diese gleise geht die Wärme des aufgeheizten Gases nicht verloren.
  • Bei der weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 10 ist ein Kühlsystem vorgesehen. Dieses Kühlsystem besteht aus einer Leitung 85 zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen 62 und 63 und dient dazu, das heiße Gas über einen Wärmeaustauscher zu übertragen, der schematisch durch die Rippen 86 angedeutet ist. Die Umwälzung des Gases erfolgt mit einer Pumpe 87, die von der Kurbelwelle angetrieben wird, wie es schematisch durch die strichpunktierte Linie 88 angedeutet ist.
  • In der Leitung 85 befindet sich ein Ablaßventil 89, mit dem eine kleine Luft- oder Gasmenge aus der Leitung 85 regelbar abgelassen wird. Dieser Gasverlust wird wieder ausgeglichen durch ein ähnliches, aber entgegengesetzt arbeitendes Zuführventil 90, das sich an der Pumpe oder an einer anderen Stelle des Leitungssystems befindet. Dieses Ventil 90 arbeitet so, daß eine konstante kleine Gasmenge wieder zugeführt wird, um sicherzustellen, daß innerhalb einer bestimmten Zeit das Gas durch frisches Gas ersetzt wird, sofern man Atmosphärenluft verwendet. Wenn es sich bei dem Gas um ein nicht unter Atmosphärendruck stehendes Gas, beispielsweise um ein hochgradig thermisch leitendes Gas handelt, kann man die Ablaß-und Zufuhrventile fortlassen und das ganze System im geschlossenen Kreis arbeiten lassen.
  • Leerseite

Claims (10)

  1. Patentansprüche 0 Stirling-Kraftmaschine, deren Zylinder mit einem heißen Endteil für einen Verdrängerkolben und einem gegenüberliegenden Endteil für einen Arbeitskolben versehen ist, wobei in dem zwischen den beiden Kolben vorhandenen Kaltraum periodisch das Gas komprimiert und dann in den heißen Endteil zum Aufheizen und expandieren übertragen wird, damit Verdrängerkolben und Arbeitskolben vom heißen Zylinderendteil fortbewegt und anschließend das heiße Gas zum Kaltraum zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kaltraum (75) ein Gasauslaßanschluß (62) und ein Gaseinlaßanschluß (63) einmüjnden, welche mit Ventilen (64,65) und Ventilbetätigungsvorrichtungen (72,73) versehen sind, die zunächst das Ausla2ventil (64) öffnen, um das aufgeheizte, zum Raltraum (75) zurückgeführte Gas abzulassen und anschließend das Einlaßventil (65) öffnen, um den Kaltraum (75) vor der nächsten Kompression wieder mit Gas zu laden.
  2. 2 Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der (asauslaßanschluß (62) mit der Außenluft verbunclon ist, uni das dort geführte Gas unter htmosplzärendruck abzu£eben, und dazu der Gaseinlaßanschluß (63) ebenfalls mit der XuBenluît verbunden ist.
  3. 3. Kraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein geschlossenes Leitungssystem (85), über das das Gas vom Auslaßanschluß (62) über ein Kühlsystem (86) zum Einlaßanschluß (63) zurückgeführt wird, und eine Ventilanordnung (89,90) zum kontinuierlichen Abführen eines kleinen Teiles des im Leitungssystem (85) geführten Gases und zum Zuführen von frischem Gas zum Leitungssystem (85) zur kontinuierlichen T,1iederauffüllung des abgeführten Gases.
  4. 4. +;raftmaschinc nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Brenner (31) zur Aufheizung der Außenfläche des heizen Zylinderendteiles (29) und einem Leitungssystem (33a) zum Rückfünren des am Auslaßanschluß (64) abgegebenen Gases zum Brenner (31) zur Ergänzung der Verbrennungswärme.
  5. 5. Kraftmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerlcolben (28) gegenüber der ihrl umgebenden Zylinderwand (29) rjit einem ausreichenden Bewegungsspiel versehen ist, über das das Gas zwischen dem heißen Zylinderendteil (78) und adern Kaltraum (75) um den Verdrängerkolben (28) herum ausgetauscht werden kann.
  6. 6. Verfahren zum Betreiben einer Stirling-£raftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 5 mit einem Arbeitszyklus wie folgt: a) Bewegen des Arbeitskolbens in den Kaltraum zum Komprimieren des dort enthaltenden Gases, b) Überführen des komprimierten Gases in den heißen Zylinderendteil, in dem das Gas aufgeheizt wird, c) Expandieren des Gases zum Bewegen von Verdrängerkolben und Arbeitskolben vom heißen Zylinderendteil fort in Richtung zum Arbeitskolbenende des Zylinders zwecks Abgabe der Kolbenleistung und d) Rückbewegen des Verdrängerkolbens in Richtung zum heißen Zylinderendteil zwecks Überführung des aufgeheizten Gases zum Kaltraum, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das aufgeheizte Gas aus dem Kaltraum ausgetrieben und anschließend der Raltraum mit frischem Kalte'as gefüllt-wird, um anschließend den vorerwähnten Zyklus fortzusetzen.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Austreibens des aufgeheizten Gases aus dem Kaltraum der Arbeitskolben in Richtung zum Verdrängerkolben hin und anschlieBend,während der Kaltraum mit frischem Gas nachgeladen wird, wieder vom Verdrängerkolben fort bewegt wird, und daß der Verdrängerkolben während der vorerwähnten Arbeitskolbenbewegung im wesentlichen stationär gehalten wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das am Auslaßanschluß abgegebene aufgeheizte Gas über ein geschlossenes Kühlsystem geleitet und zum Einlaßanschluß zurückgreführt wird, wobei ein kleiner Anteil des Gases aus dem Kaltraum ab gelassen und durch Frischgas ersetzt wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zum Aufheizen des beheizten Zylinderendes durch einen außen am Zylinderende angeordneten Brenner erzeugt wird.
  10. 10. Verfahren zum Herstellen einer von außen beheizten Stirling-Kraftmaschine gemäß Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch Verwendung einer konventionellen kleinen Viertakt -Brennkraftmaschine mit einem im Zylinderblock angeordneten Zylinder, einer innerhalb eines Kurbelgehäuses angeordneten Kurbelwelle, die mit einem innerhalb des Zylinders hin und her beweglich geführten Arbeitskolben verbunden ist,und ventilgesteuerten Einlaß- und Auslaßanschlüssen, die an der von der Kurbelwelle abgelegenen Seite oberhalb des Arbeitskolbens in den Zylinder einmünden; Anbringen einer zusätzlichen Zylinderverlängerung am Zylinder anstelle des üblichen Zylinderkopfes und Einsetzen eines Verdrängerkolbens in die Zylindervcrlangerung, um zwischen Arbeitskolben und Verdrängerkolben einen Kaltraum zu schaffen, der mit den Einlaß- und Auslaßanschlüssen in Verbindung steht; bringen einer Heizvorrichtung am Ende der vom Kaltraum abgelegenen Zylinderverlängerung; und Hinzufügen einer Steuerung, die die Hinundherbewegungen von Arbeits- und Verdrängerkolben zeitlich aufeinander abstimmt, wobei die Kraftmaschine nach einem abgewandelten Stirlingprinzip arbeitet, bei dem entsprechend dem normalen Arbeitszyklus Arbeitskolben und Verdrängerkolben aufeinander zu und voneinander fort bewegt werden, wenn das Gas vorn Kaltraum zum heißen Endteil der Zylinderverlängerung und zurück strömt, bei dem jedoch zusätzlich das heiße; aus dem heißen Endteil des Zylinderansatzes zum Kaltraum zurückgeführte Gas abgelassen und durch frisches Gas ersetzt wird, während der Verdre-ngerkolben unbewegt bleibt und sich der A.rbei-tskolben relativ zum Verdrängerkolben hin-und h£r bewegt, um das Gas abzulassen und es durch frisches Gas zu ersetzten.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1239137A2 (de) * 2001-03-05 2002-09-11 Solo Kleinmotoren GmbH Kolben und Zylinder für einen Stirling-Motor

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EP1239137A2 (de) * 2001-03-05 2002-09-11 Solo Kleinmotoren GmbH Kolben und Zylinder für einen Stirling-Motor
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