EP1917434B1 - 4-zyklen-stirlingmaschine mit 2 doppelkolbeneinheiten - Google Patents

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EP1917434B1
EP1917434B1 EP05808128A EP05808128A EP1917434B1 EP 1917434 B1 EP1917434 B1 EP 1917434B1 EP 05808128 A EP05808128 A EP 05808128A EP 05808128 A EP05808128 A EP 05808128A EP 1917434 B1 EP1917434 B1 EP 1917434B1
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cycle
cylinder space
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Gimsa Dr Andreas
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    • 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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    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/02—Single-acting two piston engines
    • F02G2244/06—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type
    • F02G2244/08—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type having parallel cylinder, e.g. "Rider" engines

Definitions

  • Double-acting 4-cycle Stirling engines are named in different variants of the Siemens arrangement. In these engines, 4 cylinders are next to each other and each has an expansion and a constellation space.
  • the DE 38 34 071 A1 discloses a stirling-type heat engine wherein motions of two cold pistons are phase-shifted by substantially ninety degrees to two hot pistons. The backs of the two cold pistons are connected by rods. The same applies to the corresponding hot piston. Between the two cold pistons and the two hot pistons a gear is arranged with a swash plate, which is connected to the upper piston via connecting rods.
  • This device has the following disadvantages: It is a 2-cycle Systam that has a non-uniform torque curve over a 4-Zy-Iden machine and requires a flywheel.
  • the power density of the machine is lower because of the single-acting pistons than in double-acting systems.
  • the transmission is heated by axial heat conduction along the cylinder walls (10, 10 ') and the piston (16, 16') and thereby thermally loaded In addition, these losses reduce the operating yield of the machine.
  • the invention describes an alpha-type 4-cycle Stirling engine (4ZM) with 2 double-piston units moving in phase offset with each other, each consisting of 2 pistons connected to piston rods (3), (8) and piston rod extensions (FIGS. 4), (9), the top of a gearbox are in mechanical communication.
  • 4ZM 4-cycle Stirling engine
  • a double piston unit may consist of an expansion piston and a compression piston, 2 expansion pistons or 2 compression pistons.
  • the cylinder space above piston 1 is connected to the cylinder space above piston 7 via the first heater-regenerator-cooler assembly and the cylinder space below piston 1 is with the cylinder space below piston 7 via the second receiver-regenerator-cooler assembly connected.
  • the cylinder space above piston 6 is connected to the cylinder space below piston 2 upper the third heater-regenerator-cooler assembly and the cylinder space below piston 6 is connected to the cylinder space above piston 2 via the fourth Erthitzer regenerator cooler Assembly connected.
  • the first piston of a double piston unit can be used as a guide for the second, it is possible to work without piston rings with a defined annular gap.
  • the double-acting pistons of the double-piston units can be realized as diaphragms or bellows which can be used on both sides, preferably in an outer, pressure-tight enclosing wall.
  • the cylinders for the pistons (1), (2), (6) and (7) may differ in their diameters from each other. As a result, for example, the expansion spaces can be made larger than the compression spaces. In addition, the variation of the cylinder diameter allows a system optimization in the simultaneous realization of right- and left-handed processes (description see below).
  • It can be a heater used in the 4 consecutive or 4 pairs wound single-tube spirals are arranged in a hollow cast body.
  • the burner can be located inside the casting body.
  • the 4ZM can be installed in front of the matrix, a flow body, which has a low flow resistance on both sides, the gas evenly distributed and is preferably a ball.
  • the cyclic short-circuit valves (27) and (28) can be used to control the participating cycles in partial load operation.
  • a further arrangement according to the invention describes a 4-cycle universal machine with 2 double-piston units which move with a phase offset to each other, in which 2 cycles of mechanical energy supply and the two remaining cycles are used to cool heat sources and heat heat sinks.
  • the four working gas areas of the heater 10 in FIG. 1 reduced to two, namely those of cycle 1 and cycle 2.
  • the remaining working gas portions of the heat supply in cycle 3 and cycle 4 which are then no longer in the heater (locally and thermally separated), are thermally connected to one or two heat sources.
  • the areas of heat removal from Cycle 3 and 4 can be connected to one or two heat sinks.
  • cycles 3 and 4 can be used to provide the mechanical energy and cycles 1 and 2 for the cooling processes.
  • Equally obvious is the alternative application of a heat pump instead of a chiller.
  • Cycle 1 and 2 uses as thermal power processes, cycle 3 as a chiller and cycle 4 as a heat pump.
  • cycle 3 uses as a chiller
  • cycle 4 uses as a heat pump.
  • the working gas areas of the heat supply of cycle 3 and cycle 4 must be thermally separated because of the different temperature levels.
  • the machine can also be configured so that the cylinder space above piston 1 is connected to the cylinder space above piston 6 via the first heater-regenerator-cooler assembly and that the cylinder space below piston 1 with the cylinder space below piston 6 via the second heater-regenerator-cooler assembly is connected.
  • the cylinder space above piston 2 is connected to the cylinder space above piston 7 via the first heat source regenerator heat sink assembly and the cylinder space below piston 2 is connected to the cylinder space below piston 7 via the second heat source regenerator heat sink assembly. Assembly connected.
  • a further arrangement according to the invention of the machine is that the cylinder space above piston 1 is connected to the cylinder space below piston 7 via the first heater-regenerator-cooler assembly and that the cylinder space below piston 1 with the cylinder space above piston 7th connected via the second heater-regenerator-cooler assembly.
  • the cylinder space above piston 2 is connected to the cylinder space below piston 6 via the first heat source regenerator heat sink assembly, and the cylinder space below piston 2 is connected to the cylinder space above piston 6 via the second heat source regenerator heat sink assembly. Assembly connected.
  • a gear to achieve the phase offset and energy conversion can also be realized in the form of a linear generator linear motor system.
  • magnet or bobbins are attached to the piston rod extensions, which interact with outer stationary coil or magnetic bodies.
  • the energy surplus of a double-piston unit can be used in this way to drive the other double-piston unit.
  • the linear generator linear motor systems change permanently between generator and motor operation.
  • a linear generator linear motor system in connection with the arrangement of the two double piston units in boxer form.
  • the movable and fixed coil and magnetic body of both double piston units can then be partially or completely united.
  • the arrangement of the double piston units according to FIG. 1 and the Boxer form is also a V-arrangement with connection to only a common Kurbelwellenkröpfung feasible.

Description

    Stand der Technik
  • Doppelt wirkende 4-Zyklen-Stirling-Motoren sind in verschiedenen Varianten der Siemens-Anordnung benannt Bei diesen Motoren liegen 4 Zylinder nebeneinander und diese besitzen Jeweils einen Expansions- und einen Konzpressionsraum.
  • Die DE 38 34 071 A1 offenbart eine Wärmekraftmaschine nach dem Stirting-Prinzip, wobei Bewegungen von zwei Kaltkolben um im Wesentlichen 90° zu zwei Heißkolben phasenverschoben sind. Die Rückseiten der beiden Kaltkolben sind durch Stangen miteinander verbunden. Das Gleiche gilt für die entsprechenden Heißkolben. Zwischen den beiden Kaltkolben bzw. den beiden Heißkolben ist ein Getriebe angeordnet mit einer Taumelplatte, die mit den oberen Kolben über Pleuelstangen verbundenen ist.
  • Diese Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist folgende Nachteile auf: Es handelt sich um ein 2-Zyklen-Systam, das gegenüber einer 4-Zy-Iden-Maschine einen ungleichförmigeren Drehkraftverlauf besitzt und eine Schwungmasse benötigt. Die Leistungsdichte der Maschine ist wegen der einfach wirkenden Kolben geringer als bei doppelt wirkenden Systemen. Das Getriebe wird über axiale Wärmeleitung entlang der Zylinderwände (10, 10') sowie der Kolben (16, 16') aufgeheizt und dadurch thermisch belastet Außerdem mindern diese Verluste den Arbeitsertrag der Maschine. Während des Maschinenlaufes pumpen die dem Prozess abgewandten Kolbenseiten Gas durch die Kanäle (40) der Kolbenstangenverbindungen (46). Dadurch entstehen zusätzliche hydraulische Verluste.
  • Die Erfindung beschreibt eine 4-Zyklen-Stirlingmaschine (4ZM) vom Alpha-Typ mit 2 Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, jeweils bestehend aus 2 Kolben, die mit Kolbenstangen (3), (8) miteinander verbunden sind und Kolbenstangenverlängerungen (4), (9), die Ober ein Getriebe in mechanischer Verbindung stehen.
  • Eine Doppelkolbeneinheit kann aus einem Expansionskolben und einem Kompression kolben, 2 Expansionskolben oder 2 Kompressionskolben bestehen.
  • Die Zyklenverbindungen nach Figur 1 sind so hergestellt, dass jeder Zyklus einen Stirling-Motor-Prozess ausführen kann. In Figur 1 findet mit Abwärtsbewegung der ersten Doppelkolbeneinheit und der hinterher eilenden zweiten Doppelkolbeneinheit im Zyklus 1 die Expansion statt, im Zyklus 2 die Kompression, im Zyklus 3 die isochore Wärmezufuhr und im Zyklus 4 die isochore Wärmeabfuhr. Der Drehkraftverlauf an der Kurbelwelle ist dadurch sehr ausgeglichen und durchweg positiv.
  • In der erfindungsgemäßen Anordnung nach Figur 1 ist der Zylinderraum oberhalb von Kolben 1 mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 7 über die erste Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden und der Zylinderraum unterhalb von Kolben 1 ist mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 7 über die zweite Erhltzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden. Zusätzlich ist der Zylinderraum oberhalb von Kolben 6 mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 2 Ober die dritte Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden und der Zylinderraum unterhalb von Kolben 6 ist mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 2 über die vierte Erthitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden.
  • Da jeweils der erste Kolben einer Doppelkolbeneinheit als Führung für den zweiten genutzt werden kann, besteht die Möglichkeit ohne Kolbenringe mit definiertem Ringspalt zu arbeiten.
  • Die doppelt wirkenden Kolben der Doppelkolbeneinheiten lassen sich bei Beachtung der entsprechenden Temperatur und Druckniveaus als beidseitig nutzbare Membranen oder Faltenbälge, vorzugsweise in einer äußeren, druckdichten Umschließungswand realisieren.
  • Die Zylinder für die Kolben (1), (2), (6) und (7) können sich in ihren Durchmessern voneinander unterscheiden. Dadurch können bspw. die Expansionsräume größer als die Kompressionsräume ausgeführt werden. Außerdem lässt sich über die Variation der Zylinderdurchmesser eine Systemoptimierung bei der gleichzeitigen Realisierung von rechts- und linksläufigen Prozessen vornehmen (Beschreibung siehe unten).
  • Es lässt sich ein Erhitzer einsetzen, bei dem 4 hintereinander liegende oder 4 paarweise gewickelte Einrohrspiralen in einem hohlen Gussgrundkörper angeordnet sind. Der Brenner kann sich innerhalb des Gussgrundkörpers befinden.
  • Zur gleichmäßigen Anströmung der Regeneratormatrix aus dünneren Arbeitsgasverbindungsrohren des 4ZM lässt sich vor der Matrix ein Strömungskörper einbauen, der einen geringen beidseitigen Strömungswiderstand hat, das Gas gleichmäßig verteilt und vorzugsweise eine Kugel ist.
  • Um ein einfaches Wechseln der Dichtungen in der jeweiligen Zylindermitte zu ermöglichen, können diese in Form von Kolbenringen (19) auf den Kolbenstangen (3) und (8) ausgeführt werden.
  • Die Zyklenkurzschlussventile (27) und (28) lassen sich zur Regelung der teilnehmenden Kreisprozesse im Teillastbetrieb nutzen.
  • Gegenüber dem 4-Zylen-Siemens-Stirling-Motor ergeben sich folgende Vorteile
    • ■ Einfacheres Getriebe und weniger mechanische Reibung
    • ■ Geringe Vermischungsverluste des Arbeitsgases
    • ■ Geringe Wärmeleitungsverluste insbesondere im Bereich der Zylinderwand
    • ■ Kompakterer Aufbau
    • ■ Variationsmöglichkeit des Expansionsraumes gegenüber dem Kompressionsraum
  • Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung beschreibt eine 4-Zyklen-Universalmaschine mit 2 Doppelkolbeneinheiten, die sich mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, bei dem 2 Zyklen zur Bereitstellung mechanischer Energie und die beiden verbleibenden Zyklen dazu genutzt werden, Wärmequellen abzukühlen und Wärmesenken aufzuheizen.
  • Dazu werden die vier Arbeitsgasbereiche des Erhitzer 10 in Figur 1 auf zwei, nämlich die von Zyklus 1 und Zyklus 2 reduziert. Die verbleibenden Arbeitsgasbereiche der Wärmezufuhr in Zyklus 3 und Zyklus 4, die dann nicht mehr im Erhitzer sind (örtlich und thermisch getrennt), werden mit einer oder zwei Wärmequellen thermisch verbunden. Die Bereiche der Wärmeabfuhr von Zyklus 3 und 4 (Kühlerbereiche) können mit einer oder zwei Wärmesenken verbunden werden. So lässt sich bspw. eine Kühlmaschine aufbauen, die mit dem Überschuss an mechanischer Energie von Zyklus 1 und 2 in den beiden anderen Zyklen Kühlprozesse realisiert. Selbstverständlich können alternativ die Zyklen 3 und 4 zur Bereitstellung der mechanischen Energie genutzt werden und Zyklus 1 und 2 für die Kühlprozesse. Ebenso selbstverständlich ist die alternative Anwendung einer Wärmepumpe anstelle einer Kühlmaschine. Es lässt sich eine Maschine aufbauen, die bspw. Zyklus 1 und 2 als Wärmekraftprozesse nutzt, Zyklus 3 als Kältemaschine und Zyklus 4 als Wärmepumpe. Dafür müssen die Arbeitsgasbereiche der Wärmezufuhr von Zyklus 3 und Zyklus 4 wegen der unterschiedlichen Temperaturniveaus thermisch getrennt werden.
  • Die Maschine lässt sich auch so konfigurieren, das der Zylinderraum oberhalb von Kolben 1 mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 6 über die erste Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist und dass der Zylinderraum unterhalb von Kolben 1 mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 6 über die zweite Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist. Zusätzlich ist der Zylinderraum oberhalb von Kolben 2 mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 7 über die erste Wärmequellen-Regenerator-Wärmesenken-Baugruppe verbunden und der Zylinderraum unterhalb von Kolben 2 ist mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 7 über die zweite Wärmequellen-Regenerator-Wärmesenken-Baugruppe verbunden.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Anordnung der Maschine besteht darin, dass der Zylinderraum oberhalb von Kolben 1 mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 7 über die erste Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist und dass der Zylinderraum unterhalb von Kolben 1 mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 7 über die zweite Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist. Zusätzlich ist der Zylinderraum oberhalb von Kolben 2 mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben 6 über die erste Wärmequellen-Regenerator-Wärmesenken-Baugruppe verbunden und der Zylinderraum unterhalb von Kolben 2 ist mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben 6 über die zweite Wärmequellen-Regenerator-Wärmesenken-Baugruppe verbunden.
  • Ein vorteilhafte Kopplung zweier 4-Zyklen-Maschinen wird erreicht, wenn an den beiden Kröpfungen der Kurbelwelle für die zwei Doppelkolbeneinheiten eines 4-Zyklen-Motors je eine weitere Doppelkolbeneinheit einer 4-Zyklen-Kühlmaschine anlenkt. Dadurch wird eine ruhig laufende Maschine mit hoher Leistung, guter Trennung der unterschiedlichen Temperaturniveaus und einfachem Getriebe realisiert.
    • Vorteile
    • ■ Mit den beschriebenen Anordnungen können in einer Drehrichtung 4 Prozesse betrieben werden: 4 rechtsläufige Wärmekraftprozesse oder 4 linksläufige Kühlmaschinen- oder Wärmepumpenprozesse oder 2 rechtsläufige und 2 linksläufige Prozesse.
    • ■ Es lassen sich bspw. einfache solare oder pflanzenölbefeuerte Kühlmaschinen mit vergleichsweise hohen Wirkungsgraden auch im Teillastbereich aufbauen. Die COP von thermisch betriebenen konventionellen Systemen liegen nur zwischen 0,5 und 1,1 (im Vergleich Kompressionsanlagen im Bereich von 3,5 bis 4,5 COP).
    • ■ Die Maschine kann mechanische, elektrische und thermische Energie sowie Kälte bereitstellen. Mit Ausiegungsvariation lassen sich Anteile einer bestimmten Energieform der Nutzungsart anpassen.
  • Ein Getriebe zur Erzielung des Phasenversatzes und zur Energieumwandlung kann auch in Form eines Lineargenerator-Linearmotor-Systems realisiert werden. Dazu werden an den Kolbenstangenverlängerungen Magnet- oder Spulenkörper befestigt, die mit äußeren feststehenden Spulen- oder Magnetkörpern wechselwirken. Der Energieüberschuss der einen Doppelkolbeneinheit lässt sich auf diese Weise nutzen um die andere Doppelkolbeneinheit anzutreiben. Dabei wechseln die Lineargenerator-Linearmotor-Systeme permanent zwischen Generator - und Motorbetrieb.
  • Vorteilhaft ist ein Lineargenerator-Linearmotor-System im Zusammenhang mit der Anordnung der beiden Doppelkolbeneinheiten in Boxer-Form. Die beweglichen und feststehenden Spulen- und Magnetkörper beider Doppelkolbeneinheiten können dann teilweise oder vollständig vereint werden. Neben der Anordnung der Doppelkolbeneinheiten gemäß Figur 1 und der Boxer-Form ist auch eine V-Anordnung mit Anbindung an nur eine gemeinsame Kurbelwellenkröpfung realisierbar.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Expansionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
    2
    Kompressionskolben der ersten Doppelkolbeneinheit
    3
    Kolbenstange der ersten Doppelkolbeneinheit
    4
    Kolbenstangenverlängerung der ersten Doppelkolbeneinheit
    5
    Zylindergehäuse
    6
    Expansionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
    7
    Kompressionskolben der zweiten Doppelkolbeneinheit
    8
    Kolbenstange der zweiten Doppelkolbeneinheit
    9
    Kolbenstangenverlängerung der zweiten Doppelkolbeneinheit
    10
    4-Zyklen-Erhitzer
    11
    Regenerator Zyklus 1
    12
    Regenerator Zyklus 2
    13
    Regenerator Zyklus 3
    14
    Regenerator Zyklus 4
    15
    Kühler Zyklus 1
    16
    Kühler Zyklus 2
    17
    Kühler Zyklus 3
    18
    Kühler Zyklus 4
    19
    Kolbenstangenringe zur Abdichtung
    20
    Thermische Isolation
    21
    Kolbenstangendichtung
    22
    Linearführung
    23
    Pleuel
    24
    Kurbelwelle
    25
    Generator
    26
    Kurbelgehäuse
    27
    Zyklenkurzschlussventil Zyklus 1 mit Zyklus 2
    28
    Zyklenkurzschlussventil Zyklus 3 mit Zyklus 4
    Z1
    Zyklus 1
    Z2
    Zyklus 2
    Z3
    Zyklus 3
    Z4
    Zyklus 4

Claims (4)

  1. 4-Zyklen-STIRLING-Maschine vom Alpha Typ, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei Doppelkolbeneinheiten mit einem Phasenversatz zueinander bewegen, jeweils bestehend aus einem Expansionskolben (1, 6), der über eine Kolbenstange (3, 8) fest mit einem Kompressionskolben (2, 7) verbunden ist und eine Kolbenstangenverlängerung (4, 9), die fest mit dem Kompressionskolbens (2, 7) und am anderen Ende mit einem Getriebe mechanisch verbunden ist.
  2. 4-Zyklen-STIRLING-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderraum oberhalb vom Kolben (1) mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben (7) über die erste Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist und dass der Zylinderraum unterhalb von Kolben (1) mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben (7) über die zweite Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden ist; zusätzlich ist der Zylinderraum oberhalb von Kolben (6) mit dem Zylinderraum unterhalb von Kolben (2) über die dritte Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden und der Zylinderraum unterhalb von Kolben (6) ist mit dem Zylinderraum oberhalb von Kolben (2) über die vierte Erhitzer-Regenerator-Kühler-Baugruppe verbunden.
  3. 4-Zyklen-STIRLING-Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelt wirkenden Kolben der Doppelkolbeneinheiten als beidseitig nutzbare Membranen oder Faltenbälge, vorzugsweise in einer äußeren, druckdichten Umschließungswand ausgeführt werden.
  4. 4-Zyklen-STIRLING-Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei 4-Zyklen-Maschinen gekoppelt werden indem an den beiden Kröpfungen der Kurbelwelle für die zwei Doppelkolbeneinheiten eines 4-Zyklen-Motors je eine weitere Doppelkolbeneinheit einer 4-Zyklen-Kühlmaschine anlenkt.
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