DE4232555A1 - Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß - Google Patents
Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem KreisprozeßInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heißgasmotor mit
äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß, beste
hend aus mindestens einem Zylinder mit einem Arbeits- und
einem Verdrängerkolben sowie mit mindestens einem Erhitzer,
einem Regenerator und einem Kühler.
Heißgasmotoren dieser Art sind als sogenannte Sterlingmoto
ren bekannt. Die Vorteile dieses Motors sind niedrige
Schadstoffkonzentration, leiser Lauf ohne Verbrennungs
geräusche, Verbrennung verschiedenster Brennstoffe für die
äußere Verbrennung (vielstoffähig), sowie Kraftstoffver
brauchswerte in etwa entsprechend denjenigen von Direkt-
Einspritz-Dieselmotoren bei ähnlichen Drehzahlen.
Die Nachteile der bekannten Motoren bestehen insbesondere
in den hohen Fertigungskosten durch eine aufwendige Bauwei
se des Erhitzers. Des weiteren sind große Kühlflächen und
gegebenenfalls große Lüfterleistungen erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
optimale Ausnutzung des den Erhitzer aufheizenden Verbren
nungsgases zu erreichen und andererseits eine einfache und
kostengünstige Bauweise zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Erhit
zer aus einer unmittelbar in axialer Richtung oberhalb des
Zylinderkopfes des Zylinders angeordneten Rohrleitungsspirale
besteht, wobei der Innendurchmesser der die Spirale
bildenden Rohrleitung derart bemessen ist, daß eine Strö
mungsgeschwindigkeit innerhalb der Rohrleitung eines in
dieser strömenden Arbeitsgases von größer/gleich 100 Meter
pro Sekunde erreicht wird und die Windungen der Rohrlei
tungsspirale einen gegenseitigen Abstand von kleiner/gleich
1,5 Millimeter besitzen, wobei das Verbrennungsgas zur Ver
brennung in den von der Rohrleitungsspirale umschlossenen
Innenraum in Richtung auf den Zylinderkopf eingeleitet und
dort unter Flammenbildung verbrannt wird.
Hierbei nutzt die Erfindung die Erkenntnis aus, daß durch
die Erzielung hoher Strömungsgeschwindigkeiten des den
Erhitzer umstreichenden Verbrennungsgases und des innerhalb
des Erhitzers strömenden Arbeitsgases ein derartig guter
Wärmeaustausch zwischen Verbrennungsgas und Arbeitsgas
erreicht wird, daß mit relativ geringem Konstruktions- und
Materialaufwand ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, daß das aus dem Erhitzer
herausströmende, in den Regenerator einströmende Arbeitsgas
innerhalb des Regenerators wiederum eine Beschleunigung
erfährt, so daß ein optimaler Wärmeentzug im Regenerator
bewirkt wird. Zudem wird durch eine hohe Strömungsgeschwin
digkeit beim Ausströmen des Arbeitsgases aus dem Regenera
tor und bei dem Durchströmen einer Kühlstrecke auch im
Kühler hierdurch ein guter Wärmeaustausch bewirkt, so daß
die konstruktive Ausgestaltung des Kühlers kostengünstig
und von den Abmessungen relativ klein gehalten werden kann.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen enthalten.
Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Motors, zum
Teil geschnitten,
Fig. 2 eine Ansicht von oben gemäß dem Pfeil II auf den
in Fig. 1 gezeigten Einsatzkörper.
Ein erfindungsgemäßer Heißgasmotor ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel als Ein-Zylinder-Heißgasmotor ausgebil
det und weist einen Zylinder 1 mit einem geschlossenen
Zylinderkopf 2 auf. Innerhalb des Zylinders 1 sind axial
verschiebbar untereinander ein Verdrängerkolben 3 sowie ein
Arbeitskolben 4 geführt. Der Verdrängerkolben 3 und der
Arbeitskolben 4 werden jeweils über eine Kolbenstange 5
bzw. ein Gestänge 6 angetrieben, die ihrerseits an Querjo
chen 7 bzw. 8 befestigt sind. Die Querjoche 7, 8 sind mit
Kurbelantrieben 9 verbunden, die derart über ein Zahnradge
triebe 10 synchronisiert angetrieben werden, daß die
Kolbenbewegung phasenversetzt sinusförmig ist.
Dieser erfindungsgemäße Motor arbeitet nach dem bekannten
Prinzip des sogenannten Sterlingmotors. Oberhalb des Zylin
derkopfes 2 ist ein Erhitzer 12 gleichachsig mit dem
Zylinder 1 angeordnet. Dieser Erhitzer 12 besteht aus einer
Rohrleitungsspirale aus im dargestellten Ausführungsbeispiel
acht Windungen 13. Diese haben eine geringe Steigung und
besitzen zueinander nur einen sehr geringen Abstand von
kleiner/gleich 1,5 Millimeter, vorzugsweise 1 Millimeter
Spaltbereite. Der Durchmesser der einzelnen Windungen ist
gleich groß, so daß sich ein zylindrischer Innenraum
bildet, und er entspricht etwa dem Innendurchmesser des
Zylinders 1. Der Zylinderkopf 2 und die Rohrleitungsspirale
bestehen vorzugsweise aus hochtemperaturbeständigem Materi
al. Die unterste Windung 14 der Rohrleitungsspirale mündet
mit ihrem Anschlußende 15 derart im Innenraum des Zylin
derkopfes 2 an dessen höchster Stelle, daß sich eine
tangentiale Ausströmung eines innerhalb des Erhitzers 12
strömenden Arbeitsgases in den Zylinderkopf 2 ergibt,
wodurch eine starke Verwirbelung erreicht wird, verbunden
mit einem sehr guten Wärmeübergang zwischen der Wandung des
Zylinderkopfes 2 und dem Arbeitsgas. Zum Erhitzen des
Erhitzers 12 dient eine Verbrennungsvorrichtung 16, die nur
im Prinzip dargestellt ist, die mit einem beliebigen
Brennstoff betrieben werden kann. Die Verbrennungsvor
richtung 16 erzeugt innerhalb des von dem Erhitzer 12
gebildeten Innenraumes eine in Richtung auf den Zylin
derkopf 2 gerichtete Flamme, so daß das Verbrennungsgas
radial nach außen durch die zwischen den Windungen 14
bestehende Spalte hindurchtritt und hierbei beschleunigt
wird, wodurch ein inniger Wärmeaustausch zur Rohrleitung
des Erhitzers 12 erfolgt. Des weiteren wird durch die
Flamme gleichzeitig der Zylinderkopf 2 selbst erwärmt. Der
Flammendurchmesser und der Innendurchmesser des Erhitzers
12 sind vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, daß sie
sich entsprechen. Der Innendurchmesser der die Windungen 13
bildenden Rohrleitung ist derart dimensioniert, daß in
nerhalb der Rohrleitung eine Strömungsgeschwindigkeit des
hierin strömenden Arbeitsgases von gößer/gleich 100 Meter
pro Sekunde erreicht wird. Aufgrund dieser sehr hohen Strö
mungsgeschwindigkeit wird ein optimaler Wärmeübergang von
der Rohrleitung auf das Arbeitsgas erreicht.
Die oberste Windung 14 des Erhitzers 12 ist mit ihrem Ende
über ein Verbindungsstück 17 in einen den Zylinder 1
konzentrisch umgebenden Ringraum 18 in dessen Kopfbereich
eingeleitet. Dieser Ringraum 18 ist, ausgehend von seinem
Boden 19, über mindestens einen Verbindungsspalt 20 mit dem
Zylinderraum 21 verbunden. Der Verbindungsspalt 20 mündet
hierbei in einen Bereich, der unmittelbar oberhalb des
oberen Todpunktes des Kolbenwegs des Arbeitskolbens 4 sowie
unmittelbar oberhalb des unteren Todpunktes des Verdränger
kolbens 3 liegt. Dieser Ort der Todpunkte wird hierbei
durch die jeweilige Lage der Kolbendichtungen 22, 23 vom
Arbeitskolben 4 bzw. Verdrängerkolben 3 bestimmt.
In dem Ringraum 18 ist ein Regenerator 25 angeordnet, der
vorzugsweise aus einem Metallsiebfilter bzw. einem Filter
aus Sintermaterial besteht. Hierbei ist der Regenerator 25
derart dimensioniert, daß im Bereich des Eintritts des
Verbindungsstückes 17 oberhalb des Regenerators 25 im
Ringraum 18 eine Wirbelkammer 26 ausgebildet wird. Durch
diese Wirbelkammer 26 wird eine gute Vermischung zwischen
dem einströmenden, erhitzten Arbeitsgas und dem noch im
Regenerator befindlichen erkalteten Arbeitsgas erreicht.
Die Volumen des Erhitzers 12 einschließlich des Anschlußen
des 15 sowie des Verbindungsstückes 17 und des Ringraums 18
sind derart bemessen, daß ihre Summe kleiner ist als das
Verdrängungsvolumen des Verdrängerkolbens 3 im Zylinder 1.
Unterhalb des Ringraums 18 ist ein Kühler 27 angeordnet,
der den Zylinder 1 konzentrisch umfaßt. Dieser Kühler 27
ist als Doppelmantelkühler mit Gegenstromkühlung des
Kühlmittels ausgebildet. Hierbei strömt das Kühlmittel
durch einen am unteren Ende des Zylinders 1 liegenden
Einlaß 28 ein und durch einen im Bereich unterhalb des
Ringraums 18 liegenden Auslaß 29 aus. Der Kühler 27 er
streckt sich vom Ringraum 18 bis zum unteren Ende des
Zylinders 1, so daß eine optimale Abkühlung des aus dem
Regenerator 25 durch den Verbindungsspalt 20 in den zwi
schen den Verdrängerkolben 3 und dem Arbeitskolben 4
vorhandenen Raum einströmenden Arbeitsgases erfolgen kann
und zusätzlich auch der gesamte Arbeitskolben 4 in einem
von dem Kühler 27 umgebenden Raumabschnitt geführt ist.
Durch die vorgesehene Gegenstromkühlung, d. h. das Kühl
mittel strömt entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des den
Regenerator verlassenden Arbeitsgases, erfolgt eine verbes
serte Wärmeaufnahme durch das Kühlmittel und somit eine
verbesserte Abkühlung des Arbeitsgases im Bereich des
Verbindungsspaltes 20.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Zylinder 1 einen
inneren Einsatzkörper 31 mit zylindrischem Innenraum
aufweist, der aus einem dem Zylinderkopf 2 zugekehrten, im
Querschnitt kreisförmigen Zylinderabschnitt 32 besteht, der
in den Zylinderkopf 2 eingepaßt ist. Dieser Zylinderab
schnitt 32 endet mit einer radial nach außen gerichteten
Ringstufe 33 am Boden des Ringraums 18. An den Zylinder
abschnitt 32 schließt sich axial ein mit dem Außendurch
messer der Ringstufe 33 versehener Verbindungsabschnitt 34
an. Dieser Verbindungsabschnitt 34 ist in einem Kühlkörper
35 des Kühlers 27 umfangsgemäß mit Passung eingesetzt. Der
Verbindungsabschnitt 34 weist an seinem Umfang gleichmäßig
verteilt, siehe Fig. 2, Abflachungen 36 auf, so daß zwi
schen der Innenwandung des Kühlkörpers 35 und den einzelnen
Abflachungen 36 jeweils ein Verbindungsspalt 20 ausgebildet
wird, wobei der Stirnflächenbereich 37 des Kühlkörpers 35
viertelkreisförmig abgerundet ist und die Abflachungen 36
sich in diesen Stirnflächenbereich derart fortsetzen, daß
der Verbindungsspalt 20 in den Zylinderinnenraum einmündet.
Durch die Ausbildung der Verbindungsspalte 20 erfolgt eine
Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit des Arbeitsgases aus
dem Regenerator und somit eine verbesserte Wärmeabgabe an
den Kühler 27. Zudem wird die Abkühlung über den Kühler 27
mittels des Kühlkörpers 35 auch dadurch gesteigert, daß
eine große Anzahl von Verbindungsspalten 20 umfangsgemäß
ausgebildet ist und im übrigen Bereich eine Wärmeabgabe
durch den Materialkontakt zwischen dem Kühlkörper 35 und
dem Verbindungsabschnitt 34 erzielt wird. Erfindungsgemäß
ist es zweckmäßig, wenn bereits innerhalb des Regenerators
25 durch eine düsenförmige Gestaltung des Strömungsquer
schnittes des Regenerators 25 eine Erhöhung der Strömungs
geschwindigkeit zum Regeneratoraustritt hin in die Verbin
dungsspalte 20 hinein erfolgt. Der Kühlkörper 35 weist an
seinem äußeren Umfang eine umfangsgemäß spiralförmig
verlaufende Kühlmittelnut 38 auf. Der Kühlkörper 35 ist von
einem Mantelkörper 39 umschlossen, der seinerseits in einem
Motorgehäuse 40 eingesetzt ist. Zwischen dem Mantelkörper
39 und dem Motorgehäuse 40 sind zwei übereinanderliegende,
gegeneinander abgedichtete Ringkammern 41, 42 gebildet. Die
vom Zylinderkopf 2 entfernt liegende untere Ringkammer 41
ist mit dem Einlaß 28 für das Kühlmittel versehen und die
dem Zylinderkopf 2 näher liegende Ringkammer 42 ist mit dem
Auslaß 29 für das Kühlmittel ausgebildet. Das Kühlmittel
strömt über den Einlaß 28 in die untere Ringkammer 41 ein
und durchströmt diese und tritt über eine Öffnung 43 in dem
Mantelkörper 39, die dem Einlaß 28 gegenüberliegt, in die
Nut 38 ein und strömt dann durch diese spiralförmig ver
laufende Nut 38 in Richtung auf den Zylinderkopf 2 bis zum
obersten Ende 38a der Nut 38 und von dort in die obere
Ringkammer 42 und durchströmt diese und tritt aus dieser an
der zur Einströmstelle gegenüberliegenden Seite durch den
Auslaß 29 aus.
Claims (15)
1. Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem
Kreisprozeß, bestehend aus mindestens einem Zylinder
mit einem Arbeitskolben und einem Verdrängerkolben
sowie mit mindestens einem Erhitzer, einem Regenerator
und einem Kühler,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Erhitzer (12) aus einer unmittelbar in axialer Rich
tung oberhalb des Zylinderkopfes (2) des Zylinders (1)
angeordneten Rohrleitungsspirale besteht, wobei der
Innendurchmesser der die Rohrleitungsspirale bildenden
Rohrleitung derart bemessen ist, daß eine Strömungsge
schwindigkeit eines innerhalb der Rohrleitung strömen
den Arbeitsgases von größer/gleich 100 Meter pro
Sekunde erreicht wird und die Windungen (13, 14) der
Rohrleitungsspirale einen gegenseitigen Abstand
kleiner/gleich 1,5 Millimeter besitzen, wobei ein
Verbrennungsgas zur Verbrennung in den von der Rohr
leitungsspirale gebildeten Innenraum in Richtung auf
den Zylinderkopf (2) eingeleitet und dort unter
Flammenbildung verbrannt wird.
2. Heißgasmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
gegenseitige Abstand der Windungen (13, 14) des
Erhitzers (12) 1 Millimeter beträgt.
3. Heißgasmotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der
von der Rohrleitungsspirale des Erhitzers (12) gebil
dete Innenraum zylindrisch ist und einen Innendurch
messer besitzt, der dem Innendurchmesser des Zylinders
(1) entspricht.
4. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
unterste Windung der Rohrleitungsspirale des Erhitzers
(12) mit ihrem Anschlußende (15) derart in den Innen
raum des Zylinderkopfes (2) an dessen höchster Stelle
mündet, daß sich eine tangentiale Ausströmung des
Arbeitsgases in den Zylinderkopf (2) ergibt.
5. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Innendurchmesser des Erhitzers (12) dem Durchmesser
der von einer Verbrennungsvorrichtung (16) erzeugten
Flamme entspricht.
6. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die
oberste Windung (14) des Erhitzers (12) mit ihrem Ende
über ein Verbindungsstück (17) in einen den Zylinder
(1) konzentrisch umgebenden Ringraum (18) in dessen
Kopfbereich eingeleitet ist und in dem Ringraum (18)
der Regenerator (25) angeordnet ist.
7. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß von
dem Boden des Ringraumes (18) aus mindestens ein
Verbindungsspalt (20) mit dem Zylinderinnenraum (21)
verbunden ist, wobei der Verbindungsspalt (20) in
einem Bereich, der unmittelbar oberhalb des oberen
Todpunktes des Kolbenwegs des Arbeitskolbens (4) sowie
unmittelbar oberhalb des unteren Todpunktes des
Verdrängerkolbens (3) mündet.
8. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Regenerator (25) aus einem metallischen Siebfilter
oder aus einem Filter aus Sintermaterial besteht.
9. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Regenerator (25) derart dimensioniert ist, daß im
Bereich des Eintritts des Verbindungsstückes (17)
oberhalb des Regenerators (25) eine Wirbelkammer (26)
im Ringraum (18) ausgebildet ist.
10. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Volumen des Erhitzers (12) einschließlich des An
schlußendes (15) sowie des Verbindungsstückes (17) und
des Ringraums (18) derart bemessen sind, daß ihre
Summe kleiner ist als das Verdrängungsvolumen des
Verdrängerkolbens (3) im Zylinder (1).
11. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
unterhalb des Ringraums (18) ein Kühler (27) ausgebil
det ist, der den Zylinder (1) konzentrisch umgibt und
der Kühler (27) als Doppelmantelkühler mit Gegen
stromkühlung des Kühlmittels ausgebildet ist.
12. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Zylinder (1) einen inneren Einsatzkörper (31) mit
zylindrischem Innenraum aufweist, der aus einem dem
Zylinderkopf (2) zugekehrten, im Querschnitt kreisför
migen Zylinderabschnitt (32) besteht, der in den
Zylinderkopf (2) eingepaßt ist, wobei der Zylinder
abschnitt (32) mit einer radial nach außen gerichteten
Ringstufe (33) am Boden des Ringraumes (18) endet und
an den Zylinderabschnitt (32) sich axial ein Ver
bindungsabschnitt (34) anschließt, der einen dem
Außendurchmesser der Ringstufe (33) entsprechenden
Außendurchmesser besitzt.
13. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbindungsabschnitt (34) in einem Kühlkörper (35) des
Kühlers (27) umfangsgemäß mit Passung eingesetzt ist,
wobei der Verbindungsabschnitt (34) an seinem Umfang
mindestens eine Abflachung (36) aufweist, so daß
zwischen der Innenwandung des Kühlkörpers (35) und der
Abflachung (36) jeweils der Verbindungsspalt (20)
ausgebildet ist.
14. Heißgasmotor nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Stirnflächenbereich (37) des Kühlkörpers (35) viertel
kreisförmig abgerundet ist und sich die Abflachung
(36) in diesen Stirnflächenbereich (37) derart fort
setzt, daß der Verbindungsspalt (20) in den Zylin
derinnenraum einmündet.
15. Heißgasmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Kühlkörper (35) an seinem Umfang eine spiralförmig
verlaufende Kühlmittelnut (38) aufweist und von einem
Mantelkörper (39) umschlossen ist, der in dem Motorge
häuse (40) angeordnet ist, wobei zwischen dem Mantel
körper (39) und dem Motorgehäuse (40) zwei überein
anderliegende, gegeneinander abgedichtete Kammern (41,
42) ausgebildet sind, wobei in der von dem Zylin
derkopf (2) abgekehrten Kammer (41) der Kühlmittel
einlaß (28) und in der dem Zylinderkopf (2) zugekehr
ten Kammer (42) der Kühlmittelauslaß (29) ausgebildet
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924232555 DE4232555A1 (de) | 1992-09-29 | 1992-09-29 | Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE19924232555 DE4232555A1 (de) | 1992-09-29 | 1992-09-29 | Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4232555A1 true DE4232555A1 (de) | 1994-04-07 |
Family
ID=6469083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924232555 Withdrawn DE4232555A1 (de) | 1992-09-29 | 1992-09-29 | Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß |
Country Status (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8130 | Withdrawal |