EP0027549A1 - Double acting multi-cylinder Stirling engine - Google Patents

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EP0027549A1
EP0027549A1 EP80105516A EP80105516A EP0027549A1 EP 0027549 A1 EP0027549 A1 EP 0027549A1 EP 80105516 A EP80105516 A EP 80105516A EP 80105516 A EP80105516 A EP 80105516A EP 0027549 A1 EP0027549 A1 EP 0027549A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working
cylinder
sealing piston
piston ring
stirling engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP80105516A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter Reuchlein
Heinz Hoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG filed Critical MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Publication of EP0027549A1 publication Critical patent/EP0027549A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/0535—Seals or sealing arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • F02G2244/52—Double acting piston machines having interconnecting adjacent cylinders constituting a single system, e.g. "Rinia" engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2253/02—Reciprocating piston seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/55—Cylinders

Definitions

  • the invention relates to a double-acting multi-cylinder Stirling engine, in which in each cylinder in its cylinder bore a piston connected to a crankshaft is arranged, the working gas containing a higher temperature containing burner side working space containing a working gas lower temperature, engine side arranged working space by two arranged on it , axially spaced sealing piston rings separates which sealing piston rings delimit a gap and sit against the cylinder wall with axial play in grooves of the piston.
  • Such a double-acting multi-cylinder Stirling engine is known from DE-AS 24 22 ⁇ 125.
  • the use of a sealing piston ring which blocks on both sides and a second sealing piston ring which interacts with passage grooves and forms a nonreturn valve which is only permeable to working gas serves to enable performance control by supplying working gas into the engine-side working space of a cylinder.
  • Working gas is supplied from a container through a bore in the piston rod and through it in the piston Subsequent transverse bore, which opens into the space between the two sealing piston rings, and the sealing piston ring, which is open in the direction of the engine-side working space, and its passages to the engine-side working space.
  • each piston contains a cavity with a volume greater than the cylinder displacement, which cavity is connected via at least one passage to a gap between two piston rings and with means for maintaining the minimum cycle pressure in interacts with his inside.
  • the two piston rings cooperate with passage grooves and each form a check valve which only allows gas to pass in the direction out of the piston cavity into the working space which has a lower pressure level than in the cavity of the piston.
  • the constructive and production-related additional effort in a Stirling engine with the device according to the invention for equalizing the medium pressure is advantageously exhausted compared to Stirling engines with pistons which have two normal piston rings, in that only a few passage grooves and in the cylinder wall are still present on a sealing piston ring with the same piston structure at least one overflow channel had to be formed in order to solve the problem posed.
  • 1 designates a cylinder of a double-acting, multi-cylinder Stirling engine
  • 2 designates a cylinder bore
  • 3 designates an upper cylinder wall
  • 4 designates a lower cylinder wall on the engine side.
  • 5 with a piston is referred to, which is guided in the cylinder 1 in the cylinder bore 2, axially displaceable in both directions and is connected to its piston rod 6 in a manner not shown, known per se with a crosshead which is in turn coupled to a crankshaft of the Stirling engine with the interposition of a drive rod.
  • the piston 5 separates, by means of two axially spaced sealing piston rings 7 and 8, a working space 9 arranged on the burner side and containing working gas at a higher temperature from a working space 10 arranged on the engine side and containing working gas lower temperature.
  • the cylinder 1 is a burner in the region of its upper cylinder wall 3 11 assigned, which serves to heat the working gas located in the working space 9 and supplies it with heat from the outside.
  • the work space 9 is connected via a channel 12 with the interposition of a regenerator 13 and a cooler 14 to the engine-side work space 10 of a subsequent cylinder, not shown.
  • the engine-side work space 10 shown in the figure is connected via a channel 15 with the interposition of a regenerator 16 and a cooler 17 to the burner-side work space 9 of a cylinder upstream of this cylinder.
  • a pressure line is designated, one ends in the engine-side working space 10 of the cylinder and the other is connected to a working gas quantity control device, through which working gas can be supplied or removed for controlling the output of the Stirling engine.
  • the two sealing piston rings 7 and 8 each sit with axial play in appropriately designed grooves 19 and 20 of the piston 5, lie on the outside of the cylinder bore 2 and delimit a space 21.
  • the upper sealing piston ring 7 works together with passage grooves 22 and forms with them only permeable to working gas in one direction Check valve.
  • the passage grooves 22 are arranged in a star shape and directed radially on the side of the upper sealing piston ring 7 facing the intermediate space 21; as an alternative to this, however, they could also be formed in a star shape and radially directed on the bottom of the groove 19 in the piston 5 which receives the first sealing piston ring 7 and faces the intermediate space.
  • the surface 23 on the upper sealing piston ring 7 opposite the passage grooves 22 serves as a blocking surface and interacts with the burner-side wall 24 of the groove 19 to achieve a blocking effect.
  • the lower sealing piston ring 8 on the other hand, is designed to block on both sides; it cooperates with its engine-side surface 25 with a wall 26 of the groove 20 and with its burner-side surface 27 with a wall 28 of the groove 20 to form a barrier in both directions.
  • the two sealing piston rings 7 and 8 are, according to the invention, in this above-described special design and arrangement, part of a device for equalizing the working gas medium pressures prevailing in the working spaces 9 and 10 of a cylinder 1, which further comprises at least one overflow channel, in the exemplary embodiment shown several overflow channels 29.
  • These overflow channels are designed as longitudinal grooves 30 and are formed in the cylinder wall 31 adjoining the cylinder bore 2 at the level of the theoretical pressure equality between the working space 9 and the working space 10.
  • the length of the longitudinal grooves 30 is somewhat smaller than the maximum possible distance between the surfaces 23 and 25 on the two sealing piston rings 7 and 8; in addition, the length of the longitudinal grooves 30 is only slightly larger than the width of the second sealing piston ring 8, wherein this excess corresponds, for example, to the piston travel resulting from approximately 10 0 crankshaft rotation angle.
  • the pressure prevailing in the intermediate space 21 engages with a force component directed towards the engine-side working space 10 on the lower sealing piston ring 8 and presses it with its engine-side surface 25 against the wall 26 of the groove 20, so that a passage of working gas from the intermediate space 21 to the engine-side working space 10 is effectively prevented in this piston position.
  • the lower sealing piston ring 8 in addition to its actual function, namely the sealing function, also fulfills a control function, since, given the position and length of the overflow channels 29, it exactly begins, duration and ends pressure equalization between the working space 9 and the working space 10 Cylinder controls. Since the device according to the invention for equalizing the medium pressure is applied to all cylinders of the Stirling engine, there is inevitably an equalization of the pressure profiles of all the working cycles effective on the upper and lower sides of the pistons. This in turn has the consequence that the same favorable bearing conditions occur on all bearings of the Stirling engine, which has an advantageous effect on a uniform load distribution and a favorable torque curve.

Abstract

A device for equalising the mean pressures prevailing in the working spaces of the cylinders is allocated to a double-acting multi-cylinder Stirling engine. This device consists of at least one transfer duct (29) arranged in the cylinder wall adjoining the cylinder bore (2) at the level of the theoretical pressure equality between the working space (9) on the burner side and the working space (10) on the transmission side, furthermore of an upper sealing piston ring (7) interacting with passage grooves (22), allowing working gas through primarily from the working space (9) on the burner side only in the direction of an intermediate space (21) and designed as a nonreturn valve, and furthermore of a lower sealing piston ring (8) temporarily exposing the transfer ducts, controlling the beginning, duration and end of a pressure compensation and designed to shut off on both sides. This measure inevitably makes the pressure charactersistics of all working cycles operative at the top and bottom sides of the pistons more uniform; in addition, the bearing conditions at the bearings of the Stirling engine are uniformly favourable at all points, having an advantageous effect in terms of a uniform load distribution and a uniform torque characteristic. The uniformised mean pressures of the cycles which are achieved have the effect of a uniformly distributed power regulation and high efficiency since a uniform distribution of the volumetric flows of fuel fed in between the individual burners and hence a uniform heat distribution between the working spaces filled with equal proportions of the total working charge is guaranteed. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden mehrzylindrigen Stirlingmotor, bei dem in jedem Zylinder in dessen Zylinderbohrung ein an eine Kurbelwelle angeschlossener Kolben angeordnet ist, der einen Arbeitsgas höherer Temperatur beinhaltenden, brennerseitig angeordneten Arbeitsraum von einem Arbeitsgas niedriger Temperatur beinhaltenden, triebwerkseitig angeordneten Arbeitsraum durch zwei an ihm angeordnete, axial beabstandete Dichtungskolbenringe trennt, welche Dichtungskolbenringe einen Zwischenraum begrenzend und an der Zylinderwand anliegend mit axialem Spiel in Nuten des Kolbens sitzen.The invention relates to a double-acting multi-cylinder Stirling engine, in which in each cylinder in its cylinder bore a piston connected to a crankshaft is arranged, the working gas containing a higher temperature containing burner side working space containing a working gas lower temperature, engine side arranged working space by two arranged on it , axially spaced sealing piston rings separates which sealing piston rings delimit a gap and sit against the cylinder wall with axial play in grooves of the piston.

Ein derartiger doppeltwirkender mehrzylindriger Stirlingmotor ist aus der DE- AS 24 22 <125 bekannt. Bei diesem bekannten Stirlingmotor dient die Verwendung eines beidseitig sperrenden Dichtungskolbenringes und eines mit Durchlaßnuten zusammenwirkenden und ein nur in einer Richtung für Arbeitsgas durchlässiges Rückschlagventil bildenden zweiten Dichtungskolbenringes zur Ermöglichung einer Leistungsregelung durch Zuführung von Arbeitsgas in den triebwerkseitigen Arbeitsraum eines Zylinders. Die Zuführung von Arbeitsgas aus einem Behälter erfolgt dabei über eine Bohrung in der Kolbenstange und eine sich daran im Kolben anschließende Querbohrung, die in den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtungskolbenringen einmündet, und den in Richtung triebwerkseitigem Arbeitsraum offenen Dichtungskolbenring und dessen Durchlaßnuten zum triebwerkseitigen Arbeitsraum. Ein Durchtritt von Arbeitsgas vom triebwerkseitigen Arbeitsraum in den brennerseitigen Arbeitsraum ist in keiner Stellung des Kolbens möglich, da der andere Dichtungskolbenring beidseitig sperrend ausgebildet ist. Dieser bekannte Stirlingmotor kann jedoch trotz verschie- dener konstruktiver Übereinstimmungen keinen Hinweis auf den beanspruchten Stirlingmotor geben.Such a double-acting multi-cylinder Stirling engine is known from DE-AS 24 22 <125. In this known Stirling engine, the use of a sealing piston ring which blocks on both sides and a second sealing piston ring which interacts with passage grooves and forms a nonreturn valve which is only permeable to working gas serves to enable performance control by supplying working gas into the engine-side working space of a cylinder. Working gas is supplied from a container through a bore in the piston rod and through it in the piston Subsequent transverse bore, which opens into the space between the two sealing piston rings, and the sealing piston ring, which is open in the direction of the engine-side working space, and its passages to the engine-side working space. A passage of working gas from the engine-side work space into the burner-side work space is not possible in any position of the piston, since the other sealing piston ring is designed to block on both sides. However, this known Stirling engine, despite various - Dener constructive matches give no indication of the claimed Stirling engine.

Darüber hinaus ist durch die DE-OS 24 40 352 bereits ein doppeltwirkender mehrzylindriger Stirlingmotor bekannt geworden, dessen Konstruktion verhindern soll, daß in den getrennten Arbeitsgasladungen verschiedene mittlere wirksame Drücke auftreten. Zur Erfüllung dieser Forderung ist bei diesem bekannten Stirlingmotor vorgeschlagen, daß jeder Kolben einen Hohlraum mit einem Volumen größer als der Hubraum des Zylinders enthält, welcher Hohlraum über wenigstens einen Durchlaß mit einem Zwischenraum zwischen zwei Kolbenringen verbunden ist und mit Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des minimalen Taktdruckes in seinem Innern zusammenwirkt. Die beiden Kolbenringe wirken dabei mit Durchlaßnuten zusammen und bilden jeweils ein Rückschlagventil, das einen Gasdurchtritt nur in Richtung aus dem Kolbenhohlraum heraus in jenen Arbeitsraum ermöglicht, der ein niedrigeres als im Hohlraum des Kolbens herrschendes Druckniveau aufweist. Für einen Druckausgleich zwischen den beiden Arbeitsräumen eines Zylinders ist eine Leckströmung zwischen den Kolbenringen und der angrenzenden Zylinderwand erforderlich, die bei dieser bekannten Einrichtung bewußt in Kauf genommen wird. Eine Leckströmung dieser Art ist an sich jedoch unerwünscht, da sich im Falle nicht exakt dichtender Kolbenringe zwangsläufig ein Leistungs- und Wirkungsgradverlust ergibt. Darüber hinaus werden bei dieser bekannten Einrichtung für einen Druckausgleich Leckströme verwendet, deren Mengen mehr oder weniger unkontrolliert - abhängig vom Zustand der Kolbenringe - aus einem Arbeitsraum in den Kolbenhohlraum überströmen und von diesem weitergeleitet werden sollen. Bei dichten, keine bzw. nur geringste Leckströme zulassenden Kol- 'benringen sind jedoch tatsächlich vorhandene Druckunterschiede in den beiden Arbeitsräumen eines Zylinders durch eine konstruktive Ausgestaltung gemäß der bekannten Lösung nicht ausgleichbar, da die beiden Dichtungsringe infolge der auf sie einwirkenden Maximumdrücke in Sperrlage verbleiben. Außerdem kann im Falle einer Leistungsnachregelung durch Arbeitsgaszufuhr in die Arbeitsräume eines Zylinders der Kolbenhohlraum der bekannten Lösung die ihm zugewiesene Funktion auch bei leckenden Kolbenringen erst nach relativ langer Zeit wirksam werden, weil die Minimumdrücke der Zylinder mit den Mitteldrücken ansteigen und somit höher sind als der im Kolbenhohlraum vorher vorhandene Druck. Als Folge hieraus ergeben sich ungleiche Zylinderleistungen und eine ungleiche Kräfteverteilung, durch die die Lager aller an der Kurbelwelle angekoppelten Kolben ungleichmäßig belastet werden, was wiederum zur Beschädigung oder Zerstörung derselben schon nach relativ kurzfristiger Dauer führen kann.In addition, a double-acting, multi-cylinder Stirling engine is already known from the D E -OS 24 40 352, the construction of which is intended to prevent various mean effective pressures from occurring in the separate working gas charges. To meet this requirement, it is proposed in this known Stirling engine that each piston contains a cavity with a volume greater than the cylinder displacement, which cavity is connected via at least one passage to a gap between two piston rings and with means for maintaining the minimum cycle pressure in interacts with his inside. The two piston rings cooperate with passage grooves and each form a check valve which only allows gas to pass in the direction out of the piston cavity into the working space which has a lower pressure level than in the cavity of the piston. For a pressure equalization between the two working spaces of a cylinder, a leakage flow between the piston rings and the adjacent cylinder wall is required, which in this known A direction is consciously accepted. A leakage flow of this kind is undesirable per se, since in the case of piston rings which do not seal exactly, there is inevitably a loss of performance and efficiency. In addition, leakage currents are used in this known device for pressure compensation, the amounts of which flow more or less uncontrollably - depending on the state of the piston rings - from a working space into the piston cavity and are to be passed on from there. In the case of dense piston rings which allow no or only the slightest leakage currents, however, pressure differences actually present in the two working spaces of a cylinder cannot be compensated for by a design according to the known solution, since the two sealing rings remain in the blocked position as a result of the maximum pressures acting on them. In addition, in the case of power readjustment by supplying working gas to the working spaces of a cylinder, the piston cavity of the known solution, the function assigned to it can only take effect after a relatively long time even if the piston rings leak, because the minimum pressures of the cylinders increase with the medium pressures and are therefore higher than in Piston cavity pre-existing pressure. As a result, there are uneven cylinder outputs and an uneven distribution of forces, through which the bearings of all the pistons coupled to the crankshaft are loaded unevenly, which in turn can damage or destroy them after a relatively short period of time.

Es ist demgegenüber daher Aufgabe der Erfindung, bei einem doppeltwirkenden mehrzylindrigen Stirlingmotor der eingangs genannten Art einfache Vorkehrungen zu treffen, durch die wirksam und schnell eine Vergleichmäßigung der in den Arbeitsräumen der Zylinder herrschenden Mitteldrücke möglich ist.It is therefore an object of the invention, in a double-acting multi-cylinder Stirling engine of the type mentioned, to take simple precautions by means of which a comparison can be made quickly and effectively moderation of the medium pressures prevailing in the working spaces of the cylinders is possible.

Diese Aufgabe ist durch einen Stirlingmotor mit Merkmalen entsprechend Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen desselben sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by a Stirling engine with features in accordance with claim 1. Advantageous refinements of the same are characterized in the subclaims.

Der konstruktive und fertigungsseitige Mehraufwand bei einem Stirlingmotor mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Mitteldruckvergleichmäßigung erschöpft sich in vorteilhafter Weise gegenüber Stirlingmotoren mit Kolben, die zwei normale Kolbenringe aufweisen, darin, daß an einem Dichtungskolbenring bei ansonstem gleichen Kolbenaufbau zusätzlich nur noch einige Durchlaßnuten und in der Zylinderwand noch wenigstens ein Uberströmkanal eingeformt werden mußten, um zu einer Lösung des gestellten Problems zu gelangen.The constructive and production-related additional effort in a Stirling engine with the device according to the invention for equalizing the medium pressure is advantageously exhausted compared to Stirling engines with pistons which have two normal piston rings, in that only a few passage grooves and in the cylinder wall are still present on a sealing piston ring with the same piston structure at least one overflow channel had to be formed in order to solve the problem posed.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der einzigen Figur ist von einem doppeltwirkenden mehrzylindrigen Stirlingmotor der Einfachheit halber nur ein einziger Zylinder schematisch dargestellt, da alle weiteren Zylinder gleich wie der gezeigte ausgebildet sind.The invention is described below with reference to an embodiment shown in the drawing. In the single figure, for the sake of simplicity, only a single cylinder of a double-acting multi-cylinder Stirling engine is shown schematically, since all the other cylinders are constructed in the same way as the one shown.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder eines doppeltwirkenden mehrzylindrigen Stirlingmotors, mit 2 eine Zylinderbohrung, mit 3 eine obere Zylinderwand und mit 4 eine untere, triebwerkseitige Zylinderwand bezeichnet. Mit 5 ist ein Kolben bezeichnet, der im Zylinder 1 in der Zylinderbohrung 2 geführt, axial in beiden Richtungen verschiebbar und mit seiner Kolbenstange 6 in nicht dargestellter, an sich bekannter Weise mit einem Kreuzkopf verbunden ist, der wiederum unter Zwischenschaltung einer Treibstange an einer Kurbelwelle des Stirlingmotors angekoppelt ist. Der Kolben 5 trennt durch zwei an ihm angeordnete, axial beabstandete Dichtungskolbenringe 7 und 8 einen brennerseitig angeordneten, Arbeitsgas höherer Temperatur beinhaltenden Arbeitsraum 9 von einem triebwerkseitig angeordneten, Arbeitsgas niedrigerer Temperatur beinhaltenden Arbeitsraum 10. Dem Zylinder 1 ist im Bereich seiner oberen Zylinderwand 3 ein Brenner 11 zugeordnet, der zur Erhitzung des im Arbeitsraum 9 befindlichen Arbeitsgases dient und diesem von außen Wärme zuführt. Der Arbeitsraum 9 ist über einen Kanal 12 unter Zwischenschaltung eines Regenerators 13 und eines Kühlers 14 mit dem triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 eines nachfolgenden, nicht dargestellten Zylinder verbunden. In gleicher Weise ist der in der Figur dargestellte triebwerkseitige Arbeitsraum 10 über einen Kanal 15 unter Zwischenschaltung eines Regenerators 16 und eines Kühlers 17 mit dem brennerseitigen Arbeitsraum 9 eines diesem dargestellten Zylinder vorgeschalteten Zylinders verbunden. Mit 18 ist eine Druckleitung bezeichnet, die einenendes in den triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 des Zylinders mündet und andernendes an eine Arbeitsgasmengenregelungseinrichtung angeschlossen ist, durch die dem Arbeitsraum 10 zur Leistungsregelung des Stirlingmotors Arbeitsgas zuführbar oder entnehmbar ist.In the drawing, 1 designates a cylinder of a double-acting, multi-cylinder Stirling engine, 2 designates a cylinder bore, 3 designates an upper cylinder wall and 4 designates a lower cylinder wall on the engine side. 5 with a piston is referred to, which is guided in the cylinder 1 in the cylinder bore 2, axially displaceable in both directions and is connected to its piston rod 6 in a manner not shown, known per se with a crosshead which is in turn coupled to a crankshaft of the Stirling engine with the interposition of a drive rod. The piston 5 separates, by means of two axially spaced sealing piston rings 7 and 8, a working space 9 arranged on the burner side and containing working gas at a higher temperature from a working space 10 arranged on the engine side and containing working gas lower temperature. The cylinder 1 is a burner in the region of its upper cylinder wall 3 11 assigned, which serves to heat the working gas located in the working space 9 and supplies it with heat from the outside. The work space 9 is connected via a channel 12 with the interposition of a regenerator 13 and a cooler 14 to the engine-side work space 10 of a subsequent cylinder, not shown. In the same way, the engine-side work space 10 shown in the figure is connected via a channel 15 with the interposition of a regenerator 16 and a cooler 17 to the burner-side work space 9 of a cylinder upstream of this cylinder. With 18 a pressure line is designated, one ends in the engine-side working space 10 of the cylinder and the other is connected to a working gas quantity control device, through which working gas can be supplied or removed for controlling the output of the Stirling engine.

Die beiden Dichtungskolbenringe 7 und 8 sitzen jeweils mit axialem Spiel in entsprechend ausgebildeten Nuten 19 bzw. 20 des Kolbens 5, liegen außen an der Zylinderbohrung 2 an und begrenzen einen Zwischenraum 21. Der obere Dichtungskolbenring 7 arbeitet mit Durchlaßnuten 22 zusammen und bildet mit diesen ein nur in einer Richtung für Arbeitsgas durchlässiges Rückschlagventil. Die Durchlaßnuten 22 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sternförmig und radial gerichtet an der dem Zwischenraum 21 zugewandten Seite des oberen Dichtungskolbenringes 7 angeordnet; sie könnten alternativ hierzu jedoch auch sternförmig und radial gerichtet an dem dem Zwischenraum zugewandten Boden der den ersten Dichtungskolbenring 7 aufnehmenden Nut 19 im Kolben 5 eingeformt sein. Die den Durchlaßnuten 22 gegenüberliegende Fläche 23 am oberen Dichtungskolbenring 7 dient als Sperrfläche und wirkt mit der brennerseitigen Wand 24 der Nut 19 zur Erzielung einer Sperrwirkung zusammen. Der untere Dichtungskolbenring 8 dagegen ist beidseitig sperrend ausgebildet; er wirkt mit seiner triebwerkseitigen Fläche 25 mit einer Wand 26 der Nut 20 und mit seiner brennerseitigen Fläche 27 mit einer Wand 28 der Nut 20 zur Bildung einer Absperrung in beiden Richtungen zusammen.The two sealing piston rings 7 and 8 each sit with axial play in appropriately designed grooves 19 and 20 of the piston 5, lie on the outside of the cylinder bore 2 and delimit a space 21. The upper sealing piston ring 7 works together with passage grooves 22 and forms with them only permeable to working gas in one direction Check valve. In the exemplary embodiment shown, the passage grooves 22 are arranged in a star shape and directed radially on the side of the upper sealing piston ring 7 facing the intermediate space 21; as an alternative to this, however, they could also be formed in a star shape and radially directed on the bottom of the groove 19 in the piston 5 which receives the first sealing piston ring 7 and faces the intermediate space. The surface 23 on the upper sealing piston ring 7 opposite the passage grooves 22 serves as a blocking surface and interacts with the burner-side wall 24 of the groove 19 to achieve a blocking effect. The lower sealing piston ring 8, on the other hand, is designed to block on both sides; it cooperates with its engine-side surface 25 with a wall 26 of the groove 20 and with its burner-side surface 27 with a wall 28 of the groove 20 to form a barrier in both directions.

Die beiden Dichtungskolbenringe 7 und 8 sind erfindungsgemäß in dieser vorbeschriebenen speziellen Ausbildung und Anordnung Teil einer Einrichtung zur Vergleichmäßigung der in den Arbeitsräumen 9 und 10 eines Zylinders 1 herrschenden Arbeitsgasmitteldrücke, die desweiteren wenigstens einen überströmkanal, im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Überströmkanäle 29, umfaßt. Diese Überströmkanäle sind als Längsnuten 30 ausgebildet und in der an die Zylinderbohrung 2 angrenzenden Zylinderwand 31 in Höhe der theoretischen Druckgleichheit zwischen Arbeitsraum 9 und Arbeitsraum 10 eingeformt. Die Länge der Längsnuten 30 ist dabei etwas kleiner als der maximal mögliche Abstand der Flächen 23 und 25 an den beiden Dichtungskolbenringen 7 und 8; außerdem ist die Länge der Längsnuten 30 nur um ein geringes Maß größer als die Breite des zweiten Dichtungskolbenringes 8, wobei dieses Übermaß beispielsweise dem aus etwa 100 Kurbelwellendrehwinkel resultierenden Kolbenweg entspricht.The two sealing piston rings 7 and 8 are, according to the invention, in this above-described special design and arrangement, part of a device for equalizing the working gas medium pressures prevailing in the working spaces 9 and 10 of a cylinder 1, which further comprises at least one overflow channel, in the exemplary embodiment shown several overflow channels 29. These overflow channels are designed as longitudinal grooves 30 and are formed in the cylinder wall 31 adjoining the cylinder bore 2 at the level of the theoretical pressure equality between the working space 9 and the working space 10. The length of the longitudinal grooves 30 is somewhat smaller than the maximum possible distance between the surfaces 23 and 25 on the two sealing piston rings 7 and 8; in addition, the length of the longitudinal grooves 30 is only slightly larger than the width of the second sealing piston ring 8, wherein this excess corresponds, for example, to the piston travel resulting from approximately 10 0 crankshaft rotation angle.

Aus dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung und Anordnung der beiden Dichtungskolbenringe 7 und 8 sowie der Uberströmkanäle 29 ergibt sich folgende Funktion.The following function results from this inventive design and arrangement of the two sealing piston rings 7 and 8 and the overflow channels 29.

In einer Lage des Kolbens 5, in der sich beide Dichtungskolbenringe - wie in der Zeichnung gezeigt - oberhalb der Überströmkanäle 29 befinden, herrscht im mit Arbeitsgas aus dem Arbeitsraum 9 versorgten Zwischenraum 21 der gleiche Druck wie im brennerseitigen Arbeitsraum 9. Dieser Druck stellt ein Maximum dar. Der Druck im Zwischenraum 21 resultiert aus Arbeitsgas, das in diesen über den sich in dieser Kolbenlage in öffnungsstellung befindlichen oberen Dichtungskolbenring 7, dessen brennerseitige Fläche 23 von der Wand 24 der Nut 19 abgerückt ist, und die Durchlaßnuten 22 eingeströmt ist. Der im Zwischenraum 21 herrschende Druck greift mit einer zum triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 hin gerichteten Kraftkomponente am unteren Dichtungskolbenring 8 an und preßt diesen mit seiner triebwerkseitigen Fläche 25 an die Wand 26 der Nut 20, so daß ein Durchtritt von Arbeitsgas aus dem Zwischenraum 21 zum triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 in dieser Kolbenlage wirksam verhindert ist.In a position of the piston 5, in which both sealing piston rings - as shown in the drawing - are located above the overflow channels 29, the same pressure prevails in the intermediate space 21 supplied with working gas from the working chamber 9 as in the burner-side working chamber 9. This pressure represents a maximum The pressure in the intermediate space 21 results from working gas which has flowed into it through the upper sealing piston ring 7 which is in the open position in this piston position, the burner-side surface 23 of which has moved away from the wall 24 of the groove 19, and the passage grooves 22. The pressure prevailing in the intermediate space 21 engages with a force component directed towards the engine-side working space 10 on the lower sealing piston ring 8 and presses it with its engine-side surface 25 against the wall 26 of the groove 20, so that a passage of working gas from the intermediate space 21 to the engine-side working space 10 is effectively prevented in this piston position.

Erreicht nun der Kolben 5 bei seinem Abwärtsgang - ausgehend von der in der Zeichnung dargestellten Lage - eine Position, in der die Überströmkanäle 29 von der brennerseitigen Fläche 27 des unteren Dichtungskolbenringes 8 freigelegt sind, findet - sofern unterschiedliche Drücke im brennerseitigen Arbeitsraum 9 und dem triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 vorherrschen - ein Druckausgleich statt, bei dem Arbeitsgas aus dem Arbeitsraum 9 über den Zwischenraum 21 und die Uberströmkanäle 29 in den triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 überströmt. Durch diesen Druckausgleich ergibt sich eine Vergleichmäßigung der in den beiden Arbeitsräumen 9 und 10 eines Zylinders helrrschenden Mitteldrücke, deshalb, weil die Überströmkanäle 29 in Höhe der theoretischen Druckgleichheit zwischen erstem Arbeitsraum 9 und zweitem Arbeitsraum 10 eines Zylinders angeordnet sind. Der Druckausgleich kann jedoch wegen der einseitigen Dichtwirkung des oberen Kolbenringes 7 nur vom oberen Arbeitsraum 9 zum unteren Arbeitsraum 10 stattfinden.If the piston 5 reaches its downward position - starting from the position shown in the drawing - a position in which the overflow channels 29 are exposed from the burner-side surface 27 of the lower sealing piston ring 8 takes place - provided different pressures in the burner-side working chamber 9 and the engine-side Prevail working space 10 - a pressure equalization instead, with the working gas from the working space 9 via the intermediate space 21 and the overflow channels 29 flows into the engine-side work space 10. This pressure equalization results in an equalization of the mean pressures prevailing in the two working spaces 9 and 10 of a cylinder, because the overflow channels 29 are arranged at the level of the theoretical pressure equality between the first working space 9 and the second working space 10 of a cylinder. However, because of the one-sided sealing effect of the upper piston ring 7, the pressure compensation can only take place from the upper working space 9 to the lower working space 10.

Bei weiterem Abwärtsgang des Kolbens 5 innerhalb des Zylinders und nach vollständigem Überlaufen der Überströmkanäle 29 durch den unteren Dichtungskolbenring 8 greifen die im triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 während der Kompressionsphase entstehenden höheren Drücke mit einer zum Arbeitsraum 9 hin gerichteten Kraftkomponente an der triebwerkseitigen Fläche 25 des unteren Dichtungskolbenringes 8 an, wodurch dieser mit seiner brennerseitigen Fläche 27 an die zugehörige Wand 28 der Nut 20 angepreßt und ein Übertre- ten des im triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 komprimierten Arbeitsgases in den Zwischenraum 21 wirksam verhindert ist. Der untere Dichtungskolbenring 8 behält diese Sperrlage auch während der auf die Kömpressionsphase folgenden Expansionsphase, mithin beim erneuten Aufwärtsgang des Kolbens 5 bis zu dem Zeitpunkt bei, in dem er die Überströmkanäle 29 wiederum freilegt. Sobald diese Lage erreicht ist, kann Arbeitsgas aus dem Arbeitsraum 10 durch die überströmkanäle 29 in den Zwischenraum 21 gelangen; da zu diesem Zeitpunkt jedoch der Druck des im Arbeitsraum 10 befindlichen Arbeitsgases höher als jener des im Arbeitsraum 9 befindlichen Gases ist, wird der obere Kolbenring 7 mit seiner brennerseitigen Fläche 23 an die Wand 24 der Nut 19 angepreßt, so daß ein Übertritt von Arbeitsgas aus dem Arbeitsraum 10 in Richtung des Arbeitsraumes 9 wirksam verhindert ist. Nachdem im weiteren Verlauf der am betrachteten Kolben 5 wirkenden Zyklen der Druckunterschied zwischen den Arbeitsräumen wechselt, mithin beim weiteren Aufwärtsgang des Kolbens 5 der Arbeitsraum 9 einen höheren Druck als der Arbeitsraum 10 aufweist, greift nunmehr an der brennerseitigen Fläche 27 des unteren Dichtungskolbenringes 8 der sich im Zwischenraum 21 fortpflanzende höhere Arbeitsgasdruck mit einer Kraftkomponente in Richtung Triebwerk an, so daß er mit seiner triebwerkseitigen Fläche 25 wieder an die Wand 26 der Nut 20 angepreßt ist und daher ein Übertreten von Arbeitsgas aus den Zwischenraum 21 in den triebwerkseitigen Arbeitsraum 10 wirksam verhindert ist.When the piston 5 continues to move downward within the cylinder and after the overflow channels 29 have completely overflowed through the lower sealing piston ring 8, the higher pressures which arise in the engine-side working chamber 10 during the compression phase engage with a force component directed towards the working chamber 9 on the engine-side surface 25 of the lower sealing piston ring 8 to causing it with its burner side surface 27 of the groove 20 are pressed against the corresponding wall 28 and a Übertre - th is the compressed in the engine-side working chamber 10 the working gas in the space 21 is effectively prevented. The lower sealing piston ring 8 maintains this blocking position even during the expansion phase following the compression phase, that is to say when the piston 5 moves upward again until it exposes the overflow channels 29 again. As soon as this position is reached, working gas can pass from the working space 10 through the overflow channels 29 into the intermediate space 21; because at this point, however, the pressure of the working gas in the working chamber 10 is higher than that of the gas present in the working chamber 9, the upper piston ring 7 is provided with its brennerseiti g s surface 23 to the wall 24 Groove 19 pressed so that an overflow of working gas from the working space 10 in the direction of the working space 9 is effectively prevented. After the pressure difference between the working spaces changes in the further course of the cycles acting on the piston 5 under consideration, and consequently the working space 9 has a higher pressure than the working space 10 when the piston 5 continues to move upward, the burner-side surface 27 of the lower sealing piston ring 8 now engages propagating in the intermediate space 21 higher working gas pressure with a force component in the direction of the engine, so that it is pressed with its engine-side surface 25 back against the wall 26 of the groove 20 and therefore an overflow of working gas from the intermediate space 21 into the engine-side working space 10 is effectively prevented .

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß der untere Dichtungskolbenring 8 neben seiner eigentlichen Funktion, nämlich der Dichtungsfunktion, auch eine Steuerfunktion erfüllt, da er bei vorgegebener Lage und Länge der Überströmkanäle 29 exakt Beginn, Dauer und Ende eines Druckausgleiches zwischen Arbeitsraum 9 und Arbeitsraum 10 eines Zylinders steuert. Da die erfindungsgemäße Einrichtung zur Mitteldruckvergleichmäßigung bei allen Zylindern des Stirlingmotors angewandt ist, ergibt sich zwangsläufig eine Vergleichmäßigung der Druckverläufe aller an den Ober- und Unterseiten der Kolben wirksamen Arbeitszyklen. Dies hat wiederum zur Folge, daß an allen Lagern des Stirlingmotors die gleichen günstigen Lagerbedingungen auftreten, was sich vorteilhaft auf eine gleichmäßige Lastverteilung und einen günstigen Drehmomentenverlauf auswirkt. Darüber hinaus ist bei einem Stirlingmotor mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Mitteldruckvergleichmäßigung aufgrund der hieraus resultierenden vergleichmäßigten Zyklusmitteldrücke eine gleichmäßig wirkende Leistungsregelung und ein hoher effektiver Wirkungsgrad realisiert, da eine gleichmäßige Verteilung der zugeführten Brennstoffmengenströme auf die einzelnen Brenner und damit eine gleichmäßige Wärmeverteilung auf die mit gleichen Anteilen von der Gesamtarbeitsgasfüllung gefüllten Arbeitsräume möglich ist.From the foregoing, it can be seen that the lower sealing piston ring 8, in addition to its actual function, namely the sealing function, also fulfills a control function, since, given the position and length of the overflow channels 29, it exactly begins, duration and ends pressure equalization between the working space 9 and the working space 10 Cylinder controls. Since the device according to the invention for equalizing the medium pressure is applied to all cylinders of the Stirling engine, there is inevitably an equalization of the pressure profiles of all the working cycles effective on the upper and lower sides of the pistons. This in turn has the consequence that the same favorable bearing conditions occur on all bearings of the Stirling engine, which has an advantageous effect on a uniform load distribution and a favorable torque curve. In addition, in the case of a Stirling engine with the device according to the invention for equalizing the medium pressure due to the result thereof resulting uniform cycle medium pressures, a uniformly effective power control and a high effective efficiency are realized, since a uniform distribution of the fuel flow rates to the individual burners and thus a uniform heat distribution to the work spaces filled with equal proportions of the total working gas filling is possible.

Claims (6)

1. Doppeltwirkender mehrzylindriger Stirlingmotor, bei dem in jedem Zylinder in dessen Zylinderbohrung ein an eine Kurbelwelle angeschlossener Kolben angeordnet ist, der einen Arbeitsgas höherer Temperatur beinhaltenden, brennerseitig angeordneten Arbeitsraum von einem Arbeitsgas niedriger Temperatur beinhaltenden, triebwerkseitig angeordneten Arbeitsraum durch zwei an ihm angeordnete, axial beabstandete Dichtungskolbenringe trennt, welche Dichtungskolbenringe einen Zwischenraum begrenzend und an der Zylinderwand anliegend mit axialem Spiel in Nuten des Kolbens sitzen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vergleichmäßigung der in den Arbeitsräumen (9, 10) zu beiden Seiten des Kolbens im Zylinder herrschenden Mitteldrücke mit folgenden Teilmerkmalen: a) Wenigstens einem in der an die Zylinderbohrung (2) angrenzenden Zylinderwand (31) in Höhe der theoretischen Druckgleichheit zwischen brennerseitigem Arbeitsraum (9) und triebwerkseitigem Arbeitsraum (10) angeordneten Überströmkanal (29) , b) einem mit Durchlaßnuten (22) zusammenarbeitenden, Arbeitsgas vornehmlich vom brennerseitigen Arbeitsraum (9) nur in Richtung Zwischenraum (21) durchlassenden, als Rückschlagventil ausgebildeten oberen Dichtungskolbenring (7), und c) einem die Überströmkanäle (29) zeitweise freilegenden, Beginn, Dauer und Ende eines Druckausgleiches steuernden, beidseitig sperrend ausgebildeten unteren Dichtungskolbenring (8). 1.Double-acting multi-cylinder Stirling engine, in which in each cylinder in its cylinder bore a piston connected to a crankshaft is arranged, which contains a working gas of higher temperature, burner-side working chamber containing working gas lower temperature, engine-side working chamber by two axially arranged on it separates spaced sealing piston rings, which sealing piston rings delimit a gap and sit against the cylinder wall with axial play in grooves of the piston, characterized by a device for equalizing the mean pressures prevailing in the working spaces (9, 10) on both sides of the piston in the cylinder with the following partial features : a) at least one overflow channel (29) arranged in the cylinder wall (31) adjoining the cylinder bore (2) at the level of the theoretical pressure equality between the burner-side working chamber (9) and engine-side working chamber (10), b) a working with passage grooves (22), working gas primarily from the burner-side working space (9) only in the direction of the space (21), designed as a check valve upper sealing piston ring (7), and c) a lower sealing piston ring (8), which temporarily blocks the overflow channels (29) and controls the start, duration and end of a pressure equalization, and blocks on both sides. 2. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberströmkanäle (29) durch in der Zylinderwand (31) jedes Zylinders (1) eingeformte Längsnuten (30) gebildet sind.2. Stirling engine according to claim 1, characterized in that the overflow channels (29) are formed by longitudinal grooves (30) formed in the cylinder wall (31) of each cylinder (1). 3. Stirlingmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der überströmkanäle (29) kleiner als der maximale Abstand zwischen der brennerseitigen Fläche (23) des oberen Dichtungskolbenringes (7) und der triebwerkseitigen Fläche (25) des unteren Dichtungskolbenringes (8) ist.3. Stirling engine according to claim 2, characterized in that the length of the overflow channels (29) is less than the maximum distance between the burner-side surface (23) of the upper sealing piston ring (7) and the engine-side surface (25) of the lower sealing piston ring (8) . 4. Stirlingmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Überströmkanäle (29) nur um ein gewisses Maß größer als die Breite des unteren Dichtungskolbenringes (8) ist und dieses Maß dem aus etwa 100 Kurbelwellendrehwinkel resultierenden Kolbenweg entspricht.4. Stirling engine according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the overflow channels (29) is only to a certain extent greater than the width of the lower sealing piston ring (8) and this dimension corresponds to the piston travel resulting from approximately 10 0 crankshaft rotation angle. 5. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßnuten (22), mit denen der obere Dichtungskolbenring (7) zur Bildung eines Rückschlagventiles zusammenwirkt, sternförmig und radial gerichtet an der dem Zwischenraum (21) zugewandten Seite des oberen Dichtungskolbenringes (7) angeordnet sind.5. Stirling engine according to claim 1, characterized in that the passage grooves (22) with which the upper sealing piston ring (7) cooperates to form a check valve, star-shaped and radially directed on the side of the upper sealing piston ring (7) facing the intermediate space (21). are arranged. 6. Stirlingmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßnuten, mit denen der obere Dichtungskolbenring (7) zur Bildung eines Rückschlagventiles zusammenwirkt, sternförmig und radial gerichtet am dem Zwischenraum (21) zugewandten Boden der den oberen Dichtungskolbenring (7) aufnehmenden Nut (19) im Kolben (5) eingeformt sind.6. Stirling engine according to claim 1, characterized in that the passage grooves with which the upper sealing piston ring (7) cooperates to form a check valve, star-shaped and radially directed on the space (21) facing the bottom of the upper sealing piston ring (7) receiving groove ( 19) are molded into the piston (5).
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