DE2940207C2 - Doppeltwirkender Stirling-Vierzylindermotor - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

g) daß die Zylinder (\a—\d) in einer einzigen Reihe hintereinander längs einer Geraden (L) angeordnet sind, die die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) unter einem rechten Winkel schneidet, und

h) daß die Regenerator/Kühlereinheiten (3a—3d) entlang eines Kreises (Cl) verteilt angeordnet sind, dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) zusammenfällt und dessen Durchmesser größer ist als der des ersten Ringes (11).

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2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der einzelnen Zylinder (la—lfl^ von den ihnen jeweils nächstgelegcnen Punkten des ersten Ringes (11) gleich sind.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen einander benachbarten Zylindern (ia—ld) gleich groß sind.

4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratoren (4a-4£/Jentlang des genannten Kreises (Ci) gleichmäßig verteilt sind.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis (Cj), auf dem die Regeneratoren angeordnet sind, und der zweite Ring (14) den gleichen Durchmesser haben.

6. Motor nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (Ia-Ia^ an einem Ende des zugehörigen Zylindersammeirohres {iOa—iOd) angeschlossen sind.

7. Motor nai.h einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeneratoren (4a—Ad) in der Mitte des zugehörigen Regeneratorsammeirohres (13a-13uy angeschlossen sind.

8. Motor nach einem der vorhergarenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gerade (L), längs der die Zylinder angeordnet sind, und die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (Il bzw. 14) enthaltende Ebene auch die Teilungspunkte zwischen zwei benachbarten Zylindersammeirohren (10a— iOd) enthält

9. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Gerade (L), längs der die Zylinder angeordnet sind, und die gemeinsame Mittelachse des ersten und des zweiten Ringes (11 bzw. 14) enthaltende Ebene auch die Teilungspunktc zwischen zwei benachbarten Regeneratorsammeirohren (13a— I3d) enthält

Die Erfindung gehl aus von einem doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotor mit einer rotationssymmetrischen Brennkammer zum Erhitzen des Arbeitsgases, bei dem

— jeder der vier Zylinder durch den darin angeordneten Kolben in einen oberen, warmen Teil und einen unteren, kalten Teil unterteilt ist

— jedem Zylinder je eine Regenerator/Kühlereinheit mit einem oben gelegenen Regenerator und einem unten gelegenen und mit dem Regenerator in Verbindung stehenden Kühler zugeordnet ist,

— der warme Teil jedes Zylinder; mit dem entsprechenden Regenerator über ein Rohrsystem in Verbindung steht, das sich in die Brennkammer hinein erstreckt,

— der kalte Teil jedes Zylinders mit jeweils einem Kühler einer einem anderen Zylinder zugehörigen Regenerator/Kühlereinheit in Verbindung steht,

— die oberen warmen Teile der Zylinder mit je einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammeirohr in Verbindung stehen und die Zylindersammeirohre zusammen einen horizontalen ersten Ring bilden und

— die Regeneratoren mit je einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammeirohr in Verbindung stehen und die Regeneratorsammelrohre zusammen einen horizontalen zweiten Ring bilden, dessen Mittelachse mit der Mittelachse des ersten Ringes zusammenfällt und dessen Durchmesser größer ist als der des ersten Ringes.

In einem doppeltwirkenden Stirling-Motor bewegen die Zylinderkolben Arbeitsgas zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite hin und her und übertragen mechanische Arbeit auf eine Antriebswelle. Die Bewegungen der Kolben eines doppeltwirkenden Stirling-Motors sind thermodynamisch aufeinander abgestimmt und jeder Kolben arbeitet gleichzeitig in zwei Zyklen, wobei die warme Oberseite eines Kolbens

mit einer kalten Unterseite des nächsten Kolbens zusammenwirkt. Dies bedeutet, daQ der Stirling-Motor zumindest drei Zylinder mit zusammenwirkenden Kolben aufweisen muß. Die optimale Wirkung wird unter Anwendung von vier bis sechs Zylindern erhalten. Das Arbeitsgas wird kontinuierlich zwischen dem wärmen Raum oberhalb des Kolbens in einem Zylinder und dem kalten Raum unterhalb des Kolbens im nächsten Zylinder hin und her bewegt Zwischen diesen Räumen strömt das Arbeitsgas durch einen Erhitzer in einer Brennkammer, durch einen Regenerator und durch einen Kühler, Wärme wird dem Arbeitsgas im Erhitzer zugeführt Der Regenerator gibt Wärme an das Arbeitsgas ab, wenn dieses Gas von der kalten Seite zu der wärmen Seite bewegt wird und speichert Wärme, wenn das Arbeitsgas in der entgegengesetzten Richtung bewegt wird. Der Kühler nimmt die bei der Kompression des Arbeitsgases gebildete Wärme auf. Hierdurch wird die Temperatur des Arbeitsgases sowohl auf der wärmen Seite als auch auf der kalten Seite annähernd konstant gehalten.

An den Aufbau eines Stirling-Motors sind demnach die nachfolgenden Anforderungen zu stellen:

1. Die Verbindungen zwischen dem oberen warmen Teil der Zylinder und den Regeneratoren müssen von der Art sein, daß ein Wärmeaustauscher und ein Erhitzer zweckmäßige Flächen zur Wärmeübertragung und eine zweckmäßige Verteilung des Flusses von Verbrennungsgas und Arbeitsgas erhält, ohne daß unnötige tote Volumen vorliegen.

2. Die Verbindungen zwischen dem unteren kalten Teil der Zylinder und den Kühlern müssen kurz sein, d. h. ihr Volumen muß in einem angemessenen Verhältnis zum Zylindervolumen stehen, und untereinander gleich lang sein.

3. Die vier Kolbenstangen sollten mit Hilfe eines einzigen Elements mechanisch zusammengekuppelt werden. Das Element sollte von einfacher, auf bekannte Technik bauender Konstruktion sein und beispielsweise eine Kurbelwelle üblicher Art sein.

4. Die vier Erhitzer, einer für jeden Zylinder, sollten zusammen eine einzige rotationssymmetrische Brennkammereinheit mit dem erforderlichen Volumen für den Verbrennungsvorgang bilden.

5. Ein einfacher und kompakter Aufbau der Zylinder und der Regenerator/Kühlereinhheiten ist erwünscht Teilungen zwischen warmem und kaltem Teil des Zylinderblockes sollten leicht ausführbar sein.

6. Die Reibungsverluste der mechanischen Kraftübertragung müssen niedrig gehalten werden, weshalb die Anzahl beweglicher Teile und Lagerflächen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden sollte.

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Aus der GB-PS 15 23 553 ist ein doppeltwirkender Sechszylinder-Stirling-Motor bekannt, bei dem die sechs Zylinder in zwei nebeneinander befindlichen Gruppen zu je drei Zyfiindern angeordnet sind, wobei alle Zylinder zueinander parallel sind. Jedem Zylinder sind zwei Regenerator/Kühlereinheiten zugeordnet, die mit jeweils gleich langen Verbindungsleitungen mit der kalten Seite des zugehörigen Zylinders in Verbindung stehen. Die Regenerator/Kühlereinheiten sind um die beiden Gruppen von je drei Zylindern außen herum verteilt

Oberhalb der Zylinder befinden sich in einem Kreis angeordnete Zylindersammeirohre, die sich über jeweils 60° erstrecken und von denen jedes mit einem Zylinder verbunden ist. Konzentrisch zu diesem ersten Kreis von Zylindersammeirohren befindet sich ein zweiler Kreis von Regeneratorsammeirohren, die sich ebenfalls über jeweils 60° erstrecken und je an zwei zugehörigen Regenerator/Kühlereinheiten angeschlossen sind. Von dem Zylindersammeirohr zu dem entsprechenden Regeneratorsammeirohr verlaufen mehrere durch die Brennkammer führende Heizrohre.

Jeder Gruppe von Zylindern ist eine Kurbelwelle zugeordnet, über die die Kolben der Zylindergruppe untereinander mechanisch gekoppelt sind. Um dafür zu sorgen, daß die Kolben beider Gruppen synchron miteinander arbeiten, sind die beiden Kurbelwellen über ein Stirnradgetriebe miteinander getrieblich verbunden.

Diese Anordnung ist wegen des Stirnradgetriebes zwischen den Kurbelwellen teuer und wegen der in dem Getriebe entstehenden Reibungsverluste unvorteilhaft Ferner besteht bei diesem Motor die Gefahr einer großen Geräuschentwicklung und eines erheblichen Verschleißes der Zahnräder, da diese ir-, Betrieb einem stark wechselnden Drehmoment ausgesetzt sind.

In der DE-AS 21 49 213 ist eine Mehrzylinderbrennkraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip beschrieben, die vier auf zwei V-förmig angeordnete Reihen verteilte Zylinder aufweist Zwischen den Zylindern befinden sich die zu den Zylindern gehörigen Regenerator/Kühlereinheiten.

Sämtliche Kolben der Mehrzylinderbrennkraftmaschine wirken auf eine gemeinsame Kurbeiwelle.

Zwar ist bei dieser Anordnung ein Stirnradgetriebe vermieden, doch sind bei dieser Motorkonstruktion mit V-förmiger Anordnung der Zylinder deren Anschluß an die durch die Brennkammer führenden Rohre und der Anschluß dieser Rohre an die Regeneratoren erschwert Schließlich bereitet auch die Anordnung der Regeneratoren relativ zu den Zylindern Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotor zu schaffen, bei dem bei kleinen Außenabmessungen kein mehrfacher Kurbeltrieb erforderlich ist und die Reger.irator/Kühlereinheiten sowie die Rohre in der Brennkammer leicht zugänglich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße doppeltwirkende Stirling-Vierzylindermotor durch die Merkmale des Hauptanspruches gekennzeichnet.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotor,

F i g. 2 schematisch eine Zylinderanordnung bei einem erfindungsmäßigen Stirling-Motor, in Draufsicht,

Fig.? sohematisch eine andere Leitungsführung bei einem erfindungsrnäßigen Stirling-Motor, in Draufsicht.

Bevor auf eine getiauere Beschreibung der. erfindungsmäßigen doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors eingegangen wird, soll zunächst prinzipiell die Arbeitsweise eines doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors mit htnweis auf F i g. 1 beschrieben werden, wo viur Zylinder la, Ib, Ic, Idmit zugehörigen Kolben 2a, 2b, 2cund 2i/gezeigt sind. Zu jedem Zylinder gehört auch eine Regenerator/Kühlereinheii 3a, 3b, 3c und 3d, die aus einem oben liegenden Regenerator 4a, 4b, 4c und 4c/und einem unten liegenden Kühler 5a, 5b, 5c, 5d besteht, die miteinander in Verbindung stehen. Jeder Zylinder hat oberhalb des zugehörigen Kolbens einen oberen warmen Teil und unter dem jeweiligen

Kolben einen unteren kalten Teil.

Die warmen Teile der Zylinder la, 16, ic, \d stehen über Rohrsysteme 6a, 66, 6c, 6c/ mit den zugehörigen Regeneratoren 4a—4</ in Verbindung. |edes Rohrsystem bildet einen Erhitzer und erstreckt sich in eine *> Brennkammer 7 hinauf, in welcher eine kontinuierliche Verbrennung von Verbrennungsgas stattfindet. Die Kühler 5a, 5b, 5c und 5c/jedes Zylinders la, \b. Ic, \d stehen über Rohre 8a, Sb, 8c, Sd mit den kalten Teilen der nächsten Zylinder Ii), lc, id, la in Verbindung. Die Zylinder la— id, die Rohrsysteme 6a—6c/, die Regenerator/Kühlereinheiten 3a—3d und die Rohre Sa-Sd bilden somit ein völlig geschlossenes System, in welchem Arbeitsgas, üblicherweise Wasserstoff oder Helium, enthalten ist. Das Arbeitsgas wird mittels des '5 jeweiligen Kolbens 2a—2d zwischen dem warmen Teil eines Zylinders la— lc/unddem kalten Teil des nächsten Zylinders kontinuierlich hin und her bewegt. Dabei wird dem Arbeitsgas Wärme in den Erhitzern zugeführt. Die Regeneratoren 4a—Ad geben Wärme an das Arbeitsgas M ab. wenn das Gas von einem kalten Teil zu einem warmen Teil bewegt wird, und speichern Wärme, wenn das Arbeitsgas von einem warmen Teil zu einem kalten Teil bewegt wird. Die Kühler 5a—5c/ nehmen die während der Kompression des Arbeitsgases gebildete Wärme auf. Hierdurch wird die Temperatur des Arbeitsgases sowohl auf der warmen Seite als auch auf der kalten Seite annähernd konstant gehalten.

Bei der in Fig.2 dargestellten Zylinderanordnung sind die vier Zylinder la— lc/in einer Reihe hintereinander längs einer Geraden L angeordnet, wobei die Abstände zwischen einander benachbarten Zylindern gleich groß sind. Der warme Teil jedes Zylinders steht über je ein Rohrstück 9a. 90,9c, 9c/mit je einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammelrohr 10a, 106, 10c. 10c/ an dessen einem Ende in Verbindung. Die Zylindersammeirohre 10a—10c/sind voneinander getrennt und bilden zusammen einen etwa auf einer Höhe mit der oberen Fläche der Zylinder la— Xd gelegenen, horizontalen ersten Ring ti, dessen ⁴« Mittelpunkt Cin der Mitte zwischen den zwei mittleren Zylindern 16und lcgelegen ist und dessen Halbmesser ein solcher ist, daß die Zylinder la—Ic/ im gleichen Abstand von den ihnen jeweils nächstgelegenen Punktendes Ringes 11 liegen.

Die vier Regenerator/Kühlereinheiten 3a—3d sind entlang eines Kreises C₃ gleichförmig verteilt, dessen Mittelachse mit der Mittelachse des ersten Ringes 11 zusammenfällt und dessen Halbmesser größer ist als der des ersten Ringes 11. Jeder Regenerator 4s, 4b, 4c, 4c/ steht über ein Rohrstück 12a, 126, 12c, 12c/ mit einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammelrohr 13a, 136, 13c; 13c/ in dessen Mitte in Verbindung. Die Mittelachsen der Regenerator/Kühlereinheiten liegen gerade mitten unter den jeweiligen Regeneratorsammeirohren, wobei sich die Rohrstücke 12a—12c/von den Regeneratoren 4a—4c/ senkrecht nach oben zu dem entsprechenden Regeneratorsammelrohr 13a—13c/erstrecken. Die Regeneratorsammeirohre sind voneinander getrennt und bilden ^M zusammen einen oberhalb der Regeneratoren liegenden, horizontalen zweiten Ring 14, welcher den gleichen Halbmesser hat wie der genannte Kreis C3 und dessen Mittelachse mit der gemeinsamen Mittelachse des Kreises C₃ und des ersten Ringes 11 zusammenfällt

Die Zylindersammeirohre 10a—10c/und die Regeneratorsammelrohre 13a—13</sind in der Weise angeordnet, daß die die Gerade L, auf der die Zylinder

65 angeordnet sind, und die obengenannte gemeinsame Mittelachse enthaltende Ebene auch die Teilungspunkte zwischen sowohl zwei Paaren 10a, 10c und iOb, 10c/ einander benachbarter Zylindersammeirohre als auch zwei Paaren 13a, 13c und 136, 13c/einander benachbarter Regeneratorsammeirohre enthalten.

Jeder Kühler steht über ein Verbindungsrohr 8'a, S'b, S'c, S'd mit dem kalten Teil des jeweils nächsten Zylinders Ic, la, Ic/ und Ib in Verbindung. Die vier Verbindungsrohre 8'a—S'd sind gleich lang.

Zwischen dem Zylindersammeirohr und dem Regeneratorsammelrohr in jedem Paar 10a, 13a; 106, 136; 10t/, 13c und 10c/, 13c/ von Zylindersammeirohren und Regeneratorsammeirohren erstreckt sich ein Satz von U-förmig gekrümmten, das Zylindersammeirohr und das Regeneratorsammelrohr verbindenden, dicht angeordneten Rohrstücken 6'a, 6'6, 6'cund 6'c/, von denen nur zwei pro Paar in F i g. 2 dargestellt sind und die sich in die Brennkammer 7 hocherstrecken. Die Schenkel der Rohrstücke 6'a—6'c/erstrecken sich von den jeweiligen /.yiindersammeirohren iua—iüc/und Regeneraiorsammelrohren 13a—13c/ senkrecht nach oben und ihre Stege erstrecken sich in radialer Richtung.

Die in Fig.3 dargestellte Zylinderanordnung unterscheidet sich von der in F i g. 2 dargestellten dadurch, daß die Regenerator/Kühlereinheiten 36 und 3c die Plätze getauscht haben, daß sich die Zylindersarmnelrohre 106 und 10c/ von den Zylindern 16 bzw. Ic nach rechts (Fig.3) anstatt nach links (Fig. 2) erstrecken, daß sic'fi die Zylindersammeirohre 10a und 10c von den Zylindern la bzw. Ic nach links (Fig. 3) anstatt nach rechts (F i g. 2) erstrecken und daß die Kühler mittels VerbindungsrohreS"a,8"6,8"cund 8"c/an die Zylinder 16, Ic/, la und lc(Fig.3) anstatt an die Zylinder Ic, la, id und 16 (Fig. 2) angeschlossen sind. Ferner unterscheidet sich die in F i g. 3 dargestellte Zylinderanordnung von der in F i g. 2 dargestellten insofern, als in die jeweiligen Regeneratorsammeirohre 13a— i3d führenden Auslässe der die Zylindersammeirohre 10a— 10c/ mit den jeweiligen Regeneratorsammeirohren 13a—13c/verbindenden, gekrümmten Rohrstücke 6"a, 6"6, 6"c 6"d (von denen nur eines pro Paar in F i g. 3 gezeigt ist) relativ zu den aus den zugehörigen Zylindersammeirohren 10a—10c/herausführenden Einlassen der Rohrstücke 6"a, 6"6,6"c 6"c/um 90° versetzt ist. Hier sind demnach Rohrstücke erforderlich, die etwas kompliziertere Form haben als die Rohrstücke 6'a—6'c/bei der Zylinderanordnung gemäß Fig.2. Die Rohrstücke 6'a—6'c/ sind von derart einfacher Form, daß sie aus keramischem Werkstoff hergestellt werden können, während die Rohrstücke 6"a—%"d zweckmäßigerweise aus metallischem Material hergestellt werden.

Mit den in F i g. 2 und 3 dargestellten Zylinderanordnungen werden die aufgestellten Anforderungen und Wünsche hinsichtlich der Funktion und Leistung des doppeltwirkenden Stirling-Vierzylindermotors erfüllt. Wie aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich, ist die Reihenfolge zwischen den Zylindern, gemäß der sich der thermodynamische Zyklus abspielt, oder »die Zündfolge« bei der Anordnung gemäß Fig.2 a-b-d-c und bei der Anordnung gemäß F i g. 3 a-c-d-b. Diese Reihenfolgen ermöglichen die Verwendung von in günstiger Weise ausgebildeten, üblichen Kurbelwellen.

Die in F i g. 2 und 3 dsrgestellten Zylinderanordnungen lassen sich in vielen verschiedenen Weisen abändern, indem die Reihenfolge der Regenerator/Küh-Iereinheiten 3a—3d entlang des Kreises C3 geändert

wird, die Erstreckung der Zylindersammeirohre 10a—lOc/von dem bezüglichen Zylinder la— \d nach rechts oder links variiert wird und die Kühler an die Zylinder la— Ic/ in einer anderen Folge angeschlossen > werden. Hierdurch können andere »Zündfolgen« erzielt werden, welche ebenfalls die Verwendung von in günstiger Weise ausgebildeten, üblichen Kurbelwellen ermöglichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Doppeltwirkender Stirling-Vierzylindermotor mit einer rotationssymmetrischen Brennkammer zum Erhitzen des Arbeitsgases, bei dem

a) jeder der vier Zylinder durch den darin angeordneten Kolben in einen oberen, warmen Teil und einen unteren, kalten Teil unterteilt ist,

b) jedem Zylinder je eine Regenerator/Kühlereinheit mit einem oben gelegenen Regenerator und einem unten gelegenen und mit dem Regenerator in Verbindung stehenden Kühler zugeordnet ist,

c) der warme Teil jedes Zylinders mit dem entsprechenden Regenerator über ein Rohrsystem in Verbindung steht, das sich in die Brennkammer hinein erstreckt,

d) der kalte Teil jedes Zylinders mit jeweils einem Kühler einer einem anderen Zylinder zugehörigen Regenerator/Kühlereinheit in Verbindung steht,

e) die oberen warmen Teile der Zylinder mit je einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Zylindersammeirohr in Verbindung stehen und die Zylindersammeirohre zusammen einen horizontalen ersten Ring bilden und

f) die Regeneratoren mit je einem über 90° sich erstreckenden, kreisbogenförmigen Regeneratorsammeirohr in Verbindung stehen und die Regeneratorsammeirohre zusammen einen horizontale:« zweiten Ring bilden, dessen Mittelachse mit der Mhtelachr": des ersten Ringes zusammenfällt und dessen Durchmesser größer ist als der des ersten Ringes.,