DE4232555A1 - Heißgasmotor mit äußerer Verbrennung und geschlossenem Kreisprozeß - Google Patents

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.