DE3834072C2

DE3834072C2 -

Info

Publication number: DE3834072C2
Application number: DE19883834072
Authority: DE
Inventors: Goetz Dipl.-Phys. 8130 Starnberg De Heidelberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-06
Filing date: 1988-10-06
Publication date: 1992-02-27
Also published as: DE3834072A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip oder dem Ericsen-Prinzip, mit

(a) einem Zylinderpaar, das einen ersten Zylinder aufweist, in dem ein Kaltkolben hin- und herbewegbar ist, und einen zweiten Zylinder aufweist, in dem ein Heißkolben hin- und herbewegbar ist;
(b) einer Strömungsverbindung für das Arbeitsgas zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder;
(c) einem Kühler, einem Regenerator und einem Erhitzer, die nacheinander durchströmt werden beim Strömen des Arbeitsgases von dem ersten Zylinder zu dem zweiten Zylinder und umgekehrt;
(d) einer Bewegungskopplung zwischen dem Kaltkolben und dem Heißkolben derart, daß der Kaltkolben dem Heißkolben mit im wesentlichen einem Viertel der Bewegungszykluszeit nacheilt; wobei
(e) der Kaltkolben und der Heißkolben jeweils durch eine Pleuelstange mit einer gemeinsamen Schwingplatte verbunden sind, die auf einer exzentrischen Lagerstelle einer Kurbelwelle drehbar gelagert ist und zwischen den beiden Anschlußstellen der Pleuelstangen gegenüber größeren Bewegungen quer zur Bewegungsrichtung des Kaltkolbens und des Heißkolbens festgelegt ist.

Eine Wärmekraftmaschine dieser Art ist aus der US-PS 45 32 819 bekannt. Deren Bewegungskopplung zwischen dem Kaltkolben und dem Heißkolben mittels der auf der Kurbelwelle gelagerten Schwingplatte ist konstruktiv unaufwendig und ergibt vergleichsweise geringe, seitliche Schwenkbewegungen der Pleuelstangen relativ zur Bewegungsrichtung der zugeordneten Kolben. Die Pleuelstangen sind in herkömmlicher Weise über Gelenke mit den Kolben verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Wärmekraftmaschine hinsichtlich der Verbindung zwischen den Pleuelstangen und den Kolben konstruktiv zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Wärmekraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen jeweils über elastisch deformierbare Bereiche in der Nähe des Kaltkolbens bzw. des Heißkolbens an diesen angeschlossen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine sind schmierungsbedürftige Gelenke zwischen den Pleuelstangen und den Kolben vermieden. Die Schwenkbewegungen der Pleuelstangen relativ zu den Kolben werden durch die elastisch deformierbaren Bereiche aufgenommen, was wegen der weiter vorne angesprochenen, vergleichsweise geringen Schwenkbewegungen der Pleuelstangen besonders gut möglich ist.

Es ist an sich bekannt (DE-PS 3 58 563), bei einem Verbrennungsmotor den Kolben durch eine als Pleuelstange wirkende Flachfeder mit dem Pleuellager der Kurbelwelle zu verbinden und zwischen der Flachfeder und dem Kolben kein Gelenk vorzusehen. Hierbei handelt es sich nicht um einen Stirling-Motor mit spezieller Bewegungskopplung zwischen dem Kaltkolben und dem Heißkolben. Außerdem ist die Flachfeder auf nahezu ihrer gesamten Länge elastisch deformierbar.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 2 führt zu vergleichsweise längeren Pleuelstangen, bei denen die seitlichen Ausschwenkwinkel entsprechend verkleinert sind.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 3 ist aus der US-PS 47 38 105 an sich bekannt.

Die Maßnahme gemäß Anspruch 4 ist in ähnlicher Form aus der US-PS 46 33 668 an sich bekannt.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines - teilweise schematisiert - dargestellten Ausführungsbeispiels einer Wärmekraftma schine nach dem Stirling-Prinzip mit zwei Zylinderpaaren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht der Maschine in Richtung der Kurbelwellenachse;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Maschine von Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeils II in Fig. 1.

Die dargestellte Maschine weist - wenn man stehende An ordnung voraussetzt, wiewohl auch liegende Anordnung möglich ist - ein oberes Zylinderpaar 4 und ein unteres Zylinderpaar 4′ auf. Da die beiden Zylinderpaare 4, 4′ einschließlich der zugehörigen Bauteile der Maschine 2 weitgehend indentisch miteinander sind, wird nur das obere Zylinderpaar 4 detailliert beschrieben.

Das obere Zylinderpaar 4 weist, links in Fig. 1, einen ersten Zylinder 6 mit einem oberen Abschluß 8 sowie, rechts in Fig. 1, einen zweiten Zylinder 10 mit einem oberen Abschluß 12 auf. In Fig. 2 liegt der erste Zylinder 6 hinter der Zeichnungsebene. Im ersten Zylin der 6 ist ein Kaltkolben 14 hin- und herbewegbar. Im zweiten Zylinder 10 ist ein Heißkolben 16 hin- und herbewegbar, der auf seiner Oberseite mit einem wärme isolierenden Aufsatz 18 versehen ist. Im oberen Bereich des ersten Zylinders 6 sind ein im wesentlichen scheiben förmiger Kühler 20 und darüber ein im wesentlichen scheibenförmiger Regenerator 22 angeordnet. Durch den Abschluß 8, von dort hinüber zum oberen Abschluß 12 und durch diesen hindurch erstreckt sich eine Strömungsver bindung 24. Die Strömungsverbindung 24 weist eine Viel zahl von Röhrchen 26 aus gut wärmeleitendem Material, die mit oberflächenvergrößernden Mitteln, wie Rippen, verse hen sein können. Die Röhrchen 26 sind Teil eines Erhit zers 28, in dem die Röhrchen 26 einem Strom heißer Ver brennungsgase ausgesetzt sind. Der Kühler 20 wird von Kühlwasser durchströmt.

Unten an den Kaltkolben 14 ist eine im Querschnitt kreisrunde Pleuelstange 30 angeschlossen, die in der Nähe des Kaltkolbens 14 einen abgeflachten Querschnitt zur Schaffung eines elastisch deformierbaren Bereichs 32 aufweist. In analoger Weise ist an die Unterseite des Heißkolbens 16 eine Pleuelstange 30 mit elastisch deformierbarem Bereich 32 angeschlossen. Die beiden Pleuelstangen 30 durchdringen jeweils eine Öffnung 34 in einem Zylinderboden 36, auf dem die beiden Zylinder 6, 10 oben befestigt sind. Die elastisch deformierbaren Berei che 32 können alternativ durch Teile aus hinreichend nachgiebigem Material, z.B. Kunststoff, gebildet sein.

Das in Fig. 1 untere Zylinderpaar 4′ ist einschließlich Kolben 14′, 16′, Kühler 20, Regenerator 22, Strömungsver bindung 24 bzw. Erhitzer 28 und Zylinderboden 36 exakt entsprechend wie das obere Zylinderpaar 4 ausgebildet und liegt spiegelbildlich zu diesem, so daß insoweit gleiche Bauteile verwendet werden können. An die unteren Kolben 14′, 16′ sind allerdings keine Pleuelstangen 30 ange schlossen.

Der Zylinderboden 36 des oberen Zylinderpaars 4 weist für den ersten Zylinder 6 drei umfangsmäßig verteilte Öffnun gen 38 und für den zweiten Zylinder drei umfangsmäßig verteilte Öffnungen 38 auf. Das gleiche gilt für den Zylinderboden 36′ des unteren Zylinderpaars 4′. In den Öffnungen 38, 38′ sind gasdicht Rohre 40 angebracht, die sich jeweils von dem Zylinderboden 36 zu dem Zylinder boden 36′ erstrecken. Durch die Rohre 40 stehen die Räume 42, 42′ auf den Rückseiten der beiden Kaltkolben 14, 14′ miteinander in Verbindung und stehen die Räume 44, 44′ auf den Rückseiten der beiden Heißkolben 16, 16′ miteinander in Verbindung.

Die ersten Zylinder 6, 6′ der beiden Zylinderpaare 4, 4′ fluchten miteinander. Die Rückseiten der beiden Kalt kolben 14, 14′ sind durch drei Stangen 46 miteinander verbunden, die jeweils durch eines der Rohre 40 führen. Das gleiche gilt für die beiden zweiten Zylinder 10, 10′ bzw. die darin angeordneten Heißkolben 16, 16′. Der Durchmesser der Stangen 46 beträgt etwa ein Drittel des Innendurchmessers der Rohre 40.

Die in Fig. 1 unteren Enden der Pleuelstangen 30 sind an Anschlußstellen 48 gelenkig an eine Schwingplatte 50 angeschlossen. Die Schwingplatte 50 erstreckt sich verti kal und ist - grob gesprochen - im wesentlichen dreieckig mit (bei der gezeichneten Position der Kolben 14, 16) im wesentlichen horizontaler Grundkante 52 und mit augen artigen Ansätzen an den Ecken für die beiden Pleuelstan gen-Anschlußstellen 48 und für ein Lager 54. Die Schwing platte 50 ist mit ihrem Lager 54 auf einer exzentrischen Lagerungsstelle einer Kurbelwelle 56 gelagert, die in Fig. 1 strichpunktiert eingezeichnet ist. Außerdem weist die Schwingplatte 50 etwa auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Anschlußstellen 48 eine Festlegungs stelle 58 auf, die etwa bei einem Viertel des Abstands der beiden Anschlußstellen 48 näher an der rechten Anschlußstelle 48 liegt. Alternativ kann eine Gleit steinführung an der Festlegungsstelle 58 vorgesehen sein. Zwischen der Festlegungsstelle 58 und einer Basisstelle 60 zwischen zwei benachbarten Rohren 40 erstreckt sich ein beidseitig angelenkter Lenker 62. Auf diese Weise kann sich die Schwingplatte 50 entsprechend der Exzentrizität an der Kurbelwelle 56 aufwärts und abwärts bewegen, wobei jedoch die Festlegungsstelle 58 nur eine sehr geringfügige Querbewegung nach rechts und links in Fig. 1 vollführt. Infolgedessen ist die Kreis bewegung des Lagers 54 der Schwingplatte 50 mit einer Auf- und Abbewegung der beiden Anschlußstellen 48 ver bunden. Es wird darauf hingewiesen, daß der Begriff Schwingplatte auch konstruktive Ausführungen umfaßt, bei denen die Anschlußstellen 48, die Lagerungsstelle 54 und die Festlegungsstelle 58 durch stabartige Streben mit einander verbunden sind.

Die beschriebene Konstruktion mit zwei Pleuelstangen 30, Schwingplatte 50 und Kurbelwelle 56 bewirkt eine Bewegungskopplung zwischen dem Kaltkolben 14 und dem Heißkolben 16 derart, daß der Kaltkolben dem Heißkolben mit im wesentlichen einem Viertel der Bewegungszykluszeit nacheilt. Die von der Maschine 2 gelieferte Leistung kann an der Kurbelwelle 56 abgenommen werden.

Die Maschine 2 arbeitet wie folgt:

Ausgehend von einem Zustand, in dem sich der Kaltkolben 14 in seinem unteren Totpunkt und der Heißkolben 16 in der Mittelstellung zwischen seinem unteren und seinem oberen Totpunkt befindet, bewegen sich beide Kolben 14, 16 nach oben, und zwar der Kaltkolben 14 in die Mittelstellung zwischen seinen unteren und seinem oberen Totpunkt und der Heißkolben 16 zu seinem oberen Totpunkt. Infolgedessen wird nahezu die gesamte Arbeitsgasmenge im "kalten", ersten Zylinder 6 unter Wärmeabfuhr durch den Regenerator 22 und den Kühler 20 komprimiert. Anschließend bewegt sich der Kaltkolben 14 weiter nach oben zu seinem oberen Totpunkt, während sich der Heißkolben 16 zu seiner Mittelstellung hinabbewegt. Die komprimierte Arbeitsgasmenge wird prak tisch vollständig von dem ersten Zylinder 6 in den zweiten Zylinder 10 verschoben und dabei praktisch ohne Volumenänderung beim Durchströmen des Regenerators 22 und des Erhitzers 28 erhitzt. Danach bewegt sich der Kaltkolben 14 abwärts in seine Mittelstellung, während sich der Heißkolben 16 weiter abwärts zu seinem unteren Totpunkt bewegt. Dabei expandiert die enthaltene Arbeitsgasmenge unter weiterer Wärmezufuhr durch den Regenerator 22 und den Erhitzer 28. Danach bewegt sich der Kaltkolben 14 weiter zu seinem unteren Totpunkt, während sich der Heißkolben 16 aufwärts zu seiner Mittelstellung bewegt. Dabei wird Arbeitsgas praktisch ohne Volumenänderung vom rechten Zylinder 10 in den lin ken Zylinder 6 verschoben und wird Wärme beim Durch strömen des Regenerators 22 und des Kühlers 20 entzogen. Danach beginnt der Bewegungszyklus von vorn.

Da die Auf- und Abbewegungen der Kolben 14, 16 in Drehbe wegung der Kurbelwelle 56 umgesetzt werden, könnte man auch die Ausdrucksweise wählen, daß die Bewegungen der beiden Kolben 14, 16 um im wesentlichen 90° phasenver schoben sind.

Die bisherige Beschreibung war auf das obere Zylinderpaar 4 abgestellt. Beim unteren Zylinderpaar 4′ spielen sich die gleichen Vorgänge, allerdings mit einer Phasenver schiebung von 180° gegenüber dem oberen Zylinderpaar 4, ab. Da die Kaltkolben 14 und 14′ sowie die Heiß kolben 16 und 16′ jeweils durch die Stangen 46 für eine gleichsinnige Bewegung gekoppelt sind, langt es, daß lediglich die Kolben 14, 16 des oberen Zylinderpaars 4 an die Kurbelwelle 56 angeschlossen sind. In dem Maße, wie sich der Kolbenrückraum 42 des oberen Kaltkolbens 14 vergrößert, verkleinert sich der Kolbenrückraum 42′ des unteren Kaltkolbens 14′ und umgekehrt, so daß hier keine Volumenänderungen stattfinden. Das gleiche gilt für die Kolbenrückräume 44, 44′ der beiden Heiß kolben 16, 16′. Das Hinüberströmen von Gas erfolgt durch die beschriebenen Rohre 40. Es ist günstig, die Kolben rückräume 42, 42′, 44, 44′ auf einem mittleren Gasdruck zu halten, der zwischen dem maximalen und dem minimalen Druck des Arbeitsgases in den Zylindern 6, 10 oberhalb der Kolben 14, 16 periodisch schwankend herrscht. Auf diese Weise müssen die Abdichtungen der Kolben 14 und 16 geringere Druckdifferenzen abdichten als wenn auf den Kolbenrückseiten atmosphärischer Druck herrschen würde. Ölfrei arbeitende Kolbendichtringe, ggf. unter Verwendung von MoS₂-Festschmierstoff sind bevorzugt einsetzbar. In Fig. 1 erkennt man ferner, daß jeder Kolben 14, 16 nach unten ragend einen hohlzylindrischen Fortsatz 64 aufweist, der in der Öffnung 34 des Zylinderbodens 36 gleitend abgedichtet ist. Auf diese Weise sind die Kol benrückräume 42, 44 gegenüber dem atmosphärischen Druck, der zwischen den beiden Zylinderböden 36, 36′ herrscht, abgedichtet. Die Schwingplatte 50 und die Kurbelwelle 56 befinden sich somit in einem druckfreien Raum.

In Fig. 1 ist ein Zustand zeichnerisch dargestellt, in dem sich die Kolben 14, 16 des oberen Zylinderpaars 4 beide nahe am oberen Totpunkt befinden, während sich die Kolben 14′, 16′ beide nahe dem unteren Totpunkt (der sich beim unteren Zylinderpaar 4′ in der Zeichnung oberhalb des oberen Totpunktes befindet) befinden.

Das Verhältnis von Bewegungshub der Kolben 14, 16 zu deren Durchmesser ist beim gezeichneten Ausführungsbei spiel etwa 0,36. Bevorzugt ist eine Obergrenze dieses Verhältnisses von 0,5, besonders bevorzugt eine Obergrenze von 0,4. Bei derartigen Verhältnissen haben der Kühler 20 und der Regenerator 22 einen relativ großen Durchmesser und relativ geringe, axiale Höhen. Dies erlaubt eine technisch günstige Auslegung mit hohem Wärmetauschwir kungsgrad und geringen Druckverlusten. Da der Kühler 20 und der Regenerator 22 innerhalb des ersten Zylinders 6 angeordnet sind, entfallen separate Gehäuse und An schlußleitungen für diese Bauteile, wodurch sogenannte Totvolumina vermieden werden.

Die beschriebene Konstruktion mit Pleuelstangen 30, Schwingplatte 50 und Kurbelwelle 56 zur Kopplung der Bewegun gen der beiden Kolben 14, 16 mit sinnvollem Phasenversatz und zur Umwandlung der hin- und hergehenden Kolbenbewe gungen in gut nutzbare Rotationsbewegung der Kurbelwelle 56 führt dazu, daß - im Verein mit dem im Vergleich zum Kolbendurchmesser kleinen Hub der Kolben 14, 16 - die Pleuelstangen 30 jeweils an ihrem unteren Ende nur eine sehr kleine Bewegung quer zur Längsachse der Zylinder 6, 10 vollführen. Die Pleuelstangen 30 eignen sich daher für einen Anschluß an die Kolben 14, 16 durch querschnitts geschwächte Bereiche 32 für elastische Verformung statt dortiger Gelenke, die schmierbedürftig wären.

Die Basiskante 52 der Schwingplatte 50 liegt auf der den Zylindern 6, 10 entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle 56. Dies führt zu einer raumsparenden Anordnung der Taumelplatte 50 und der Kurbelwelle 56 zwischen den Zylinderböden 36, 36′ und zu einer möglichst großen Länge der Pleuelstange 30.

In Fig. 2 erkennt man einen seitlich der Rohre 40 vor gesehenen Stromgenerator 66, dessen drehbare Welle an die Kurbelwelle 56 angeschlossen ist. Der Rotor des Ge nerators 66 kann zugleich als Schwungmasse der Kurbel welle 56 dienen. Es handelt sich vorzugsweise um einen Generator mit auf seinem Rotor umfangsmäßig verteilten Dauermagneten und Statorspulen, in denen der Strom induziert wird. Der Rotor ist vorzugsweise ein Außen rotor mit radial innen angebrachten Dauermagneten. Der Generator 66 kann so ausgebildet sein, daß er zugleich einen elektrischen Anlaßmotor für die Maschine 2 bildet. Durch Weglassung des unteren Zylinderpaars 4′, der unteren Kolben und der Stangen 46 läßt sich eine Zwei zylindermaschine bauen. Insbesondere in diesem Fall ist es günstig, den Kolbenrückraum 44 des Heißkolbens 16 mit dem Inneren des ersten Zylinders 6 im Bereich dicht unterhalb des Kühlers 20 durch eine Verbindungsleitung zu verbinden. Dann arbeitet der Heißkolben 16 als reiner Verdrängerkolben und der Kaltkolben 14 als reiner Ar beitskolben.

Es ist ferner möglich, das untere Zylinderpaar 4′ prak tisch abzuschalten, indem dem unteren Erhitzer 28′ keine Wärme zugeführt wird. In diesem Fall empfiehlt sich für das untere Zylinderpaar 4′ das Öffnen eines Arbeitsgas kurzschlusses, wie er vorstehend für das obere Zylinder paar 4 beschrieben worden ist, um das Mitlaufen der unteren Kolben 14′, 16′ zu erleichtern.

Es ist möglich, zwei der beschriebenen Vierzylinderma schinen axial hintereinander anzuordnen und mit 90°- Phasenversatz auf die gleiche Kurbelwelle arbeiten zu lassen. In diesem Fall kann man die Erhitzer 28 bzw. 28′ von zwei axial benachbarten Zylinderpaaren jeweils zu einem gemeinsamen Erhitzer zusammenfassen.

Die erfindungsgemäße Maschine eignet sich auch für Kraft fahrzeuge mit elektrischen Antriebsmotoren. Dabei wird sinnvollerweise ein Energiespeicher, vorzugsweise ein Rotationsenergiespeicher, vorgesehen, um kurzzeitige Änderungen der erforderlichen Antriebsleistung gut be wältigen zu können.

Bei der beschriebenen Wärmekraftmaschine hatten die beiden Kolben 14, 16 gleichen Durchmesser und gleichen Hub. Es ist jedoch möglich, die Hubvolumina der beiden Kolben 14, 16 unterschiedlich zu machen, beispielsweise durch abweichenden Durchmesser oder abweichenden Hub eines der beiden Kolben. Technisch am sinnvollsten ist, wenn das Hubvolumen des Heißkolbens 16 wesentlich größer als das Hubvolumen des Kaltkolbens 14 ist. Diese Variante kann man als Wärmekraftmaschine nach dem Ericsen-Prinzip bezeichnen. Etwaig gewünschte oder erforderliche Ände rungen der Nacheilung des Kaltkolbens 14 hinter dem Heißkolben 16 kann man durch konstruktive Abänderungen zwischen den drei Längen der Schwingplatte 50 bewerkstel ligen.

Claims

1. Wärmekraftmaschine (2) nach dem Stirling-Prinzip oder dem Ericsen-Prinzip, mit

(a) einem Zylinderpaar (4) das einen ersten Zylinder (6) aufweist, in dem ein Kaltkolben (14) hin- und herbewegbar ist, und einen zweiten Zylinder (10) aufweist, in dem ein Heißkolben (16) hin- und her bewegbar ist;
(b) einer Strömungsverbindung (24) für das Arbeitsgas zwischen dem ersten und dem zweiten Zylinder (6, 10);
(c) einem Kühler (20), einem Regenerator (22) und einem Erhitzer (28), die nacheinander durchströmt werden beim Strömen des Arbeitsgases von dem ersten Zylinder (6) zu dem zweiten Zylinder (10) und umgekehrt;
(d) einer Bewegungskopplung (30, 50, 56) zwischen dem Kaltkolben (14) und dem Heißkolben (16) derart, daß der Kaltkolben (14) dem Heißkolben (16) mit im wesentlichen einem Viertel der Bewegungszykluszeit nacheilt; wobei
(e) der Kaltkolben (14) und der Heißkolben (16) jeweils durch eine Pleuelstange (30) mit einer gemeinsamen Schwingplatte (50) verbunden sind, die auf einer exzentrischen Lagerstelle (54) einer Kurbelwelle (56) drehbar gelagert ist und zwischen den beiden Anschlußstellen (48) der Pleuelstangen (30) gegenüber größeren Bewegungen quer zur Bewegungsrichtung des Kaltkolbens (14) und des Heißkolbens (16) festgelegt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangen (30) jeweils über elastisch deformierbare Bereiche (32) in der Nähe des Kaltkolbens (14) bzw. des Heißkolbens (16) an diesen angeschlossen sind.

2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstellen (48) der Schwingplatte (50) auf der dem Zylinderpaar (4) entgegengesetzten Seite der Kurbelwelle (56) liegen.

3. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Kolben (14, 16) das Verhältnis von Bewegungshub zu Durchmesser kleiner als 0,5, vorzugsweise kleiner als 0,4 ist.

4. Wärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (20) und der Regenerator (22) jeweils eine im wesentlichen scheibenförmigen Gestalt aufweisend innerhalb des ersten Zylinders (6) angeordnet sind.