EP1239137A2 - Piston and cylinders for a Stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
Der Einsatz von Stirling-Motoren ist inbesondere dann von Vorteil, wenn es gelingt, die Lebensdauer und die Serviceintervalle sehr viel größer als bei konventionellen Otto- oder Dieselmotoren zu gestalten.The use of Stirling engines is then particularly of Advantage if it succeeds in the lifespan and the Service intervals are much longer than with conventional ones To design gasoline or diesel engines.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stirling-Motor mit erhöhter Lebensdauer und größeren Serviceintervallen bereitzustellen.The invention has for its object a Stirling engine with increased lifespan and larger To provide service intervals.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch einen Kolben eines Stirling-Motors, mit einem Kolbenboden, mit einem Kolbenschaft, wobei bei Kolbenschaft eine Unterkante aufweist, wobei in dem Kolbenschaft mindestens eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings vorhanden ist, und wobei der Kolben über eine Kolbenstange, einen Kreuzkopf und ein Pleuel oder unmittelbar über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist, dadurch gelöst, dass der Abstand der Ringnut, die am nächsten zur Kurbelwelle angeordnet ist und der Unterkante des Kolbenschafts zwischen 0,66 x Kolbenhub und 1,5 x Kolbenhub, besonders bevorzugt zwischen 0,9 x Kolbenhub und 1,1 x Kolbenhub, beträgt.This object is achieved according to the invention by a Piston of a Stirling engine, with a piston crown, with a piston skirt, with a lower edge for the piston skirt having at least one annular groove in the piston skirt is available for receiving a piston ring, and wherein the Piston over a piston rod, a crosshead and a Connecting rod or directly via a connecting rod with a Crankshaft is coupled, solved by the distance the ring groove that is closest to the crankshaft and the lower edge of the piston skirt between 0.66 x Piston stroke and 1.5 x piston stroke, particularly preferably between 0.9 x piston stroke and 1.1 x piston stroke.
Durch diese konstruktive Ausgestaltung des Kolbenschafts ist gewährleistet, dass die Zylinderlauffläche in dem Bereich, welcher von dem oder den Kolbenringen überstrichen wird, vollständig oder nahezu vollständig vom Kolbenschaft abgedeckt wird. Dadurch wird die Wärmeabfuhr verbesssert.This constructive design of the piston skirt ensures that the cylinder tread in the Area covered by the piston ring or rings is, completely or almost completely from the piston skirt is covered. This improves heat dissipation.
Außerdem wird verhindert, dass sich Öl auf dem von den Kolbenringen überstrichenen Bereich der Zylinderlauffläche niederschlagen kann. In Folge dessen kann das Öl auch nicht in Kontakt mit dem oberhalb des Kolbenbodens befindlichen Arbeitsgas gelangen und dieses verunreinigen. Sobald nämlich in dem Arbeitsgas Ölspuren vorhanden sind, ist die Funktion des Stirlings-Motors zumindest beeinträchtigt, da sich Ölnebel erfahrungsgemäß sehr leicht am Regenerator niederschlagen, dort verkohlen und somit den Strömungswiderstand für das Arbeitsgas beim Durchströmen des Regenerators deutlich erhöhen. Außerdem wird der Wärmeübergang zwischen dem Speichermaterial des Regenerators und dem Arbeitsgas drastisch verschlechtert. Beide Effekte führen zu einer unerwünschten Einbuße bei Wirkungsgrad und Leistung des Stirling-Motors.It also prevents oil from getting on the Piston rings painted area of the cylinder barrel can precipitate. As a result, the oil cannot either in contact with the one above the piston crown Get working gas and contaminate it. As soon as namely, there are traces of oil in the working gas Function of the Stirlings engine at least impaired because Experience has shown that oil mist is very easy on the regenerator knock down, charred there and thus the Flow resistance for the working gas when flowing through the regenerator significantly. In addition, the Heat transfer between the storage material of the Regenerators and the working gas deteriorated dramatically. Both effects lead to an undesirable loss Efficiency and performance of the Stirling engine.
Nach einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenschaft an seinem dem Kolbenboden entgegengesetzten Ende eine Hülse aufweist, so dass die erfindungsgemäße Länge des Kolbenschafts durch eine einfach herzustellende Hülse erreicht werden kann. Außerdem kann durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung ein an sich bekannter Kolben für einen Stirling-Motor in erfindungsgemäßer Weise ertüchtigt werden. Da die Hülse, abgesehen von den Massenkräften, keinen nennenswerten hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist, kann sie sehr dünnwandig ausgeführt werden.According to a variant of the invention it is provided that the Piston shaft on its opposite the piston crown End has a sleeve, so that the invention Length of the piston skirt due to an easy to manufacture Sleeve can be achieved. In addition, through this Design according to the invention a piston known per se for a Stirling engine in the manner according to the invention be trained. Because the sleeve, apart from the Mass forces, no significant stresses exposed, it can be made very thin-walled.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Hülse und den Kolben durch Elektronenstrahlschweißen miteinander zu verbinden. Alternativ können auch andere Fügeverfahren eingesetzt werden.It has proven advantageous to use the sleeve and the Pistons close together by electron beam welding connect. Alternatively, other joining methods can also be used be used.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass auf dem Kolbenboden ein Kolbendom aufgesetzt ist, dass der Kolben ein Verdichtungskolben ist, und/oder dass der Kolben ein Arbeitskolben ist, so dass die Vorteile der Erfindung für die genannten Kolbentypen nutzbar gemacht werden können.Further refinements of the invention provide that on the piston crown is a piston dome that the Piston is a compression piston, and / or that the piston is a working piston, so the benefits of the invention can be used for the piston types mentioned can.
Die eingangs gennante Aufgabe wird auch gelöst durch einen Zylinder für einen Stirling-Motor, mit einer Zylinderlauffläche, wobei der Zylinderauszug aus globularen Grauguss besteht und die Zylinderlauffläche induktionsgehärtet ist.The above-mentioned task is also solved by a Cylinder for a Stirling engine, with one Cylinder barrel surface, the cylinder extension made of globular There is gray cast iron and the cylinder barrel is induction hardened.
Die Verwendung von globularem Grauguss als Material für die Zylinderlauffläche hat sich in den Versuchen der Anmelderin als besonders vorteilhaft erwiesen. Globularer Grauguss weist eine Bruchdehnung von 15% bis 20% auf, was insbesondere bei Stirling-Motoren, deren Zylinder einen Überdruck aufweist, von großem Vorteil ist. Anders als bei anderen Zylindern für Stirling-Motoren versagt ein erfindungsgemäßer Zylinder auf relativ unkritische Weise, da beim Auftreten eines Risses der Zylinder nicht zerspringt und somit keine Gefährdung eventuell in der Nähe des Stirling-Motors befindlicher Personen auftritt.The use of globular cast iron as a material for the Cylinder tread has been found in the applicant's experiments proven to be particularly advantageous. Globular gray cast iron has an elongation at break of 15% to 20%, which especially in Stirling engines, the cylinders of which one Overpressure is of great advantage. Unlike other cylinders for Stirling engines fail cylinder according to the invention in a relatively uncritical manner, because if a crack occurs the cylinder will not shatters and therefore no danger in the vicinity of the Stirling engine occurs.
Außerdem verbessert sich der Wärmeübergang von der Zylinderlauffläche auf ein eventuell vorhandenes Kühlmedium, wie z.B. Kühlwasser, da erstens mit geringeren Wandstärken gearbeitet werden kann und zweitens nur ein Material eingesetzt wird. Zylinder nach dem Stand der Technik weisen häufig eingeschrumpfte und gehärtete Laufbuchsen aus Grauguss auf, bei denen die Wärmeleitung im Bereich der Kontaktfläche zwischen Laufbuchse und Zylinder sehr schlecht ist.In addition, the heat transfer from the improves Cylinder running surface on a possibly existing Cooling medium, e.g. Cooling water, firstly with less Wall thicknesses can be worked and secondly only one Material is used. Cylinder according to the state of the Technology often exhibit shrinked and hardened Gray cast iron liners on which the heat conduction in Area of contact between the liner and cylinder is very bad.
Durch die Härtung der Zylinderlauffläche mittels Induktionshärten ist es außerdem möglich, die Tiefe bis zu der die Zylinderlauffläche gehärtet ist, in weiten Grenzen entsprechend den Erfordernissen bezüglich Verschleißfestigkeit und Drucksicherheit einzustellen.By hardening the cylinder tread using Induction hardening it is also possible to increase the depth the cylinder barrel is hardened within wide limits according to the requirements regarding Adjust wear resistance and pressure security.
In weiterer Ergänzung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Zylinderlauffläche gleitzuhonen, so dass sich eine sehr glatte Oberfläche einstellt. Die Technologie des Gleithonens wird in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Neues Honverfahren für umweltfreundliche Verbrennungsmotoren" von G. Haasis und G. Weigmann in Werkstatt und Betrieb 132 (1999) 3 beschrieben. Auf diese Veröffentlichung wird im Zusammenhang mit der Erfindung ausdrücklich Bezug genommen.In a further addition to the invention, it has proven to be proved to be advantageous in honing the cylinder sliding surface, so that a very smooth surface is created. The Sliding honing technology is published with the title "New honing process for environmentally friendly Internal combustion engines "by G. Haasis and G. Weigmann in Workshop and operation 132 (1999) 3. To this Publication is related to the invention expressly referred.
Damit überwindet die erfindungsgemäße Zylinderlauffläche ein Vorurteil, welches besagt, dass die Laufflächen von Zylindern, in denen Kolben mit Teflonkolbenringen laufen, eine gewisse Rauigkeit aufweisen sollen, damit sich in den Vertiefungen der Zylinderlauffläche Teflonabrieb ablagern kann. Diese Erklärung findet sich beispielsweise in dem Buch Stirling-Maschinentechnik von Prof. Fritz Steimle, ISBN-3-7880-7583-X, 1. Auflage, C.F. Müller-Verlag 1996 auf Seite 100, zweitletzter Absatz. Es hat sich bei Versuchen der Anmelderin zur Verbesserung der Lebensdauer des Stirling-Motors herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Zylinderlauffläche durch eine Feinbearbeitung mittels Gleithonen besonders langlebig ist und auch mit Zusammenwirken mit Teflonkolbenringen eine sehr hohe Lebensdauer erreicht.This overcomes the cylinder running surface according to the invention a prejudice that says that the treads of Cylinders in which pistons with Teflon piston rings run, should have a certain roughness so that the Deposit depressions in the cylinder tread wear Teflon can. This explanation can be found, for example, in the Book Stirling machine technology by Prof. Fritz Steimle, ISBN-3-7880-7583-X, 1st edition, C.F. Müller publishing house 1996 on page 100, second to last paragraph. It did Attempt by the applicant to improve the service life of the Stirling engine revealed that the cylinder tread according to the invention by a Fine machining using sliding honing is particularly durable and also in cooperation with Teflon piston rings very long lifespan achieved.
Weitere Ergänzungen der Erfindung sehen vor, dass der Zylinder ein Arbeitszylinder oder ein Verdichtungszylinder ist, so dass die Vorteile der Erfindung bei beiden Zylindern des Stirling-Motors zum Tragen kommen und sich somit die Gesamtlebensdauer und die Serviceintervalle in erfindungsgemäßer Weise erhöhen. Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch als Verdrängerkolben in sog. β-Maschinen eingesetzt werden.Further additions of the invention provide that the Cylinder a working cylinder or a compression cylinder is, so the advantages of the invention in both Cylinders of the Stirling engine come to fruition thus the total life and service intervals in increase according to the invention. The invention Pistons can also be used as displacement pistons in so-called β machines be used.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous configurations of the Invention are the following drawing, the Description and the patent claims.
Es zeigen:
- Figur 1
- ein Ausführungsbeispiel eines Stirling-Motors nach dem Stand der Technik mit V-Anordnung der Zylinder im Querschnitt,
- Figur 2
- eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdichtungskolbens, und
Figur 3- einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Arbeitskolbens.
- Figure 1
- an embodiment of a Stirling engine according to the prior art with V-arrangement of the cylinders in cross section,
- Figure 2
- a side view of an embodiment of a compression piston according to the invention, and
- Figure 3
- a cross section through an embodiment of a working piston according to the invention.
Der Stirlingmotor gemäß Fig. 1 weist ein Kurbelgehäuse 1
auf, in dem eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. An
einem Hubzapfen 5 der Kurbelwelle 3 sind ein erstes Pleuel
7 und ein zweites Pleuel 9 drehbar gelagert. Das erste
Pleuel 7 ist über einen ersten Kreuzkopf 10 und eine erste
Kolbenstange 11 mit einem Verdichtungskolben 12 verbunden.
Das zweite Pleuel 9 ist über einen zweiten Kreuzkopf 13 und
eine zweite Kolbenstange 14 mit einem Arbeitskolben 15
verbunden. Die konstruktive Ausgestaltung von
Verdichtungskolben 12 und Arbeitskolben 15 ist im
Zusammenhang mit Fig. 1 nicht von Bedeutung und wird
deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert. Der
Verdichtungskolben 12 läuft in einem Verdichtungszylinder
16, während der Arbeitskolben 15 in einem Arbeitszylinder
17 läuft. Die Kurbelwelle 3 und der Hubzapfen 5 sind
ölgeschmiert, während der Verdichtungskolben 12 und der
Arbeitskolben 15 trocken im Verdichtungszylinder 16 bzw. im
Arbeitszylinder 17 laufen.The Stirling engine according to FIG. 1 has a crankcase 1
in which a
Zwischen dem Verdichtungszylinder 16 und dem
Arbeitszylinder 17 kann das Arbeitsgas hin- und
hergeschoben werden. Dabei nimmt das in Fig. 1 nicht
dargestellte Arbeitsgas beim Verschieben aus dem
Verdichtungszylinder 16 in den Arbeitszylinder 17 Wärme aus
einem Regenerator 21 auf und erwärmt sich dabei auf etwa
650° Celsius. Der Regenerator 21 besteht im Allgemeinen aus
einem Paket von Drahtsieben, die in Fig. 1 nicht im
Einzelnen dargestellt sind. Anschließend wird das
Arbeitsgas in einem Erhitzer 23, der bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus verrippten Rohren
gebildet wird, auf etwa 650° Celsius erwärmt. Diese
Erwärmung erfolgt durch Wärmeübertragung von einem in Fig.
1 nicht dargestellten Brenner über den Erhitzer 23 auf das
Arbeitsgas. Gleichzeitig erfolgt eine annähernd isotherme
Expansion des Arbeitsgases im Arbeitszylinder 17, wodurch
mechanische Arbeit vom Arbeitsgas auf den Arbeitskolben 15
übertragen wird. Anschließend wird das Arbeitsgas vom
Arbeitszylinder 17 in den Verdichtungszylinder 16
zurückgeschoben, wobei das Arbeitsgas Wärme an den
Regenerator 21 überträgt und anschließend von einem
Arbeitsgaskühler 25 abgekühlt wird.Between the
Als Wärmequelle kann bei einem Stirlingmotor prinzipiell
jede Wärmequelle mit ausreichendem Temperaturniveau
herangezogen werden, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.
1 wird ein Brenner eingesetzt (nicht dargestellt), der
einen gasförmigen oder flüssigen Brennstoff verbrennen
kann. Der sogenannte Hochtemperaturbereich des
Stirlingmotors ist durch eine Wärmedämmung 27 gegen
Wärmeverluste geschützt.In principle, a Stirling engine can be used as a heat source
any heat source with sufficient temperature level
are used in the embodiment according to FIG.
1, a burner is used (not shown) which
burn a gaseous or liquid fuel
can. The so-called high temperature range of the
Stirling engine is countered by
Figur 2 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen
Verdichtungskolbens 12 mit einem ersten Führungsband 29,
einem ersten Kolbenring 31 und einem zweiten Kolbenring 33.
Das Führungsband 29 dient der Führung des
Verdichtungskolbens 12 in dem nicht dargestellten Zylinder.
Der erste Kolbenring 31 und der zweite Kolbenring 33 dienen
zur Abdichtung des in Figur 2 links des Kolbens 12
befindlichen Arbeitsraums, der in Figur 2 nicht dargestellt
ist, zu dem rechts des Kolbens 12 befindlichen, ebenfalls
nicht dargestellen Kurbelgehäuse 1 des Stirling-Motors. Das
Führungsband 29 und die Kolbenringe 31 und 33 sind jeweils
in Ringnuten in ansich bekannter Weise aufgenommen.Figure 2 shows a view of an
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in Figur 2 nur die
Ringnut 35 des zweiten Kolbenrings 33 mit Bezugslinien und
einem Bezugszeichen gekennzeichnet. An dem einem
Kolbenboden 37 des Verdichtungskolbens 12 entgegengesetzten
Ende desselben ist eine Hülse 39 an einem Kolbenschaft 41
des Kolbens 12 angesetzt. Die Hülse 39 kann durch
Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen,
Verpressen, Löten und Anderes mehr mit dem Kolbenschaft 41
verbunden sein. Die Hülse 39 weist eine Unterkante 43 auf,
die zu der Ringnut 35 einen mit in "A" bezeichneten Abstand
aufweist. Dieser Abstand "A" wird erfindungsgemäß so
bemessen, dass er zwischen 0,66 x Kolbenhub bis 1,5 X
Kolbenhub beträgt. Als ein besonders vorteilhafter
Kompromiss zwischen Größe des Abstands "A" und
erforderlichem Bauaufwand hat sich eine Größe des Abstands
"A" von 0,9 x Kolbenhub bis 1,1 x Kolbenhub herausgestellt.
Durch den Abstand "A" in der erfindungsgemäßen Größe ist
gewährleistet, dass der von den Kolbenringen 29, 31 und 33
überstrichene Bereich der dargestellten Zylinderlauffläche
im Betrieb mit von den Kolbenschaft 41, bzw. der Hülse 39
überdeckt ist, so dass sich kein Öl auf diesen Bereich der
Zylinderlauffläche niederschlagen kann. Das Niederschlagen
von Öl auf diesen Bereich der Zylinderlauffläche ist
unerwünscht, weil sich Teile dieses Ölniederschlags im
Arbeitsgas lösen können und sich anschließend im
Regenerator niederschlagen und dort verkohlen können. Dies
führt zu Funktionsbeeinträchtigungen des Stirling-Motors
sowie Verringerungen des Wirkungsgrads und der Leistung des
Stirling-Motors.For reasons of clarity, only the
Die Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Arbeitskolbens 17 im Längsschnitt
dargestellt. Einige Bauteile werden mit gleichen
Bezugszeichen versehen und im Folgenden werden nur die
Unterschiede erläutert, um Wiederholungen zu vermeiden. An
dem Arbeitskolben 17 ist oberhalb des Kolbenbodens 37 ein
Kolbendom 45 aufgesetzt, welcher die Wärmeübertragung
zwischen Arbeitsgas (nicht dargestellt) und dem
Arbeitszylinder 17 verringert. Im Kolbenschaft 41 sind zwei
Ringnuten 35 und 47 eingestochen. Die breite Ringnut 47
dient zur Aufnahme eines Führungsbands aus Teflon (in Fig.
3 nicht dargestellt), das die Führung des Arbeitskolbens 17
in dem nicht dargestellten Zylinder übernimmt. Die Ringnut
35 nimmt einen Kolbenring (nicht dargestellt) auf, der zur
Abdichtung des Arbeitsraums gegenüber dem Kurbelgehäuse
dient. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Hülse
39 an dem Kolbenschaft 41 angebracht. Der Abstand "A"
bemisst sich nach den gleichen Regeln wie anhand des
Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 erläutert. In Figur 3
ist auch ein Innengewinde 49 dargestellt, in welches eine
nicht dargestellte Kolbenstange eingeschraubt werden kann.
Durch den langen Kolbenschaft
41 wird außerdem die Kühlung der Kolbenringe verbessert. Figure 3 is an embodiment of a
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Kolbenschafts kann auch bei Kolbenverdichtern zum Verdichten unterschiedlichster Gase eingesetzt werden. Auch bei Kolbenverdichtern ist es nämlich unerwünscht, dass die zu verdichtenden Gase Öl aufnehmen.The design of a piston skirt according to the invention can also for piston compressors for compression different gases can be used. Also at Piston compressors it is undesirable that the too Compressing gases absorb oil.
Claims (10)
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EP1239137B1 EP1239137B1 (en) | 2009-05-27 |
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