EP3622167A1 - Hot gas engine having a step piston - Google Patents

Hot gas engine having a step piston

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EP3622167A1
EP3622167A1 EP18722503.2A EP18722503A EP3622167A1 EP 3622167 A1 EP3622167 A1 EP 3622167A1 EP 18722503 A EP18722503 A EP 18722503A EP 3622167 A1 EP3622167 A1 EP 3622167A1
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
hot gas
stepped
section
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EP18722503.2A
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EP3622167C0 (en
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Josef Frauscher
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Frauscher Holding GmbH
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    • F02G2270/40Piston assemblies

Definitions

  • the present description relates to a hot gas engine with at least one double-acting displacer or working piston, for example a Stirling engine.
  • Stirling engines are probably the best known representatives of hot gas engines. If air is used as working gas, the term hot air machine is also used. Some such machines can be operated both as an external combustion engine, as a heat pump or chiller. Other known types of hot gas engines are e.g. the Manson engine, the Ericsson engine, etc.
  • the above object is achieved by the Stirling engine according to claim 1, 15 or 25.
  • Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims. It is a hot gas engine is described, which has a transmission (engine, crank mechanism) with a connecting rod and arranged in a cylinder double-acting stepped piston according to a first embodiment.
  • the stepped piston has a first portion with a larger diameter and a second portion with a smaller diameter and is at least partially hollow.
  • the connecting rod extends inside through the second section and is articulated in the first section of the stepped piston.
  • the hot gas engine a transmission with a connecting rod and arranged in a cylinder double-acting piston (differential piston) on.
  • Cylinders and pistons are configured to form an annular cylinder space in the cylinder, the piston being at least partially hollow, and the connecting rod being articulated in the interior of the piston at a position such that the annular cylinder space extends around the connecting rod.
  • the piston may be either a differential piston designed as a stepped piston or a differential piston which is guided on the outside on a tube arranged coaxially to the cylinder, which protrudes into the cylinder interior, whereby the annular cylinder space is formed below the piston.
  • the hot gas engine a transmission with a connecting rod, a cylinder and a tube which is at least partially disposed in the interior of the cylinder.
  • One end of an at least partially hollow differential piston is disposed between the tube and the inner wall of the cylinder, so that an annular cylinder space is formed.
  • the connecting rod passes through the tube and is articulated in the interior of the differential piston at this.
  • the hot gas engine to a transmission which is arranged in a gear compartment, in the ambient pressure prevails.
  • the Stirling engine further includes a double-acting, stepped piston arranged in a cylinder, which has a first portion with a larger diameter and a second portion with a smaller diameter.
  • the stepped piston is at least partially hollow and has inside a piston rod which is mechanically coupled to the transmission.
  • the gearbox facing second portion of the stepped piston opens into a buffer space for the working gas of the Stirling engine, and inside the Stepped piston is at least a part of a sealing device arranged which seals a passage of the piston rod between the buffer space and gear room.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a Stiiiingmaschine gamma type.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a double acting alpha type stuffer.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a Gamma-type Stirling engine with a displacer piston designed as a stepped piston.
  • Figure 4 shows an embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of the double-acting alpha-type with a stepped piston designed as a working piston.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a gamma-type Stii ingmaschine similar to FIG. 3, wherein the working piston is designed as (single-acting) stepped piston.
  • Figure 6 shows an embodiment of a gamma-type forming machine similar in function to the example of Figure 5, but having pistons and cylinders arranged in parallel.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a Stiiiingmaschine gamma-type, which, as far as the function is similar to the example of FIG. 6, but as a crank mechanism has a so-called Ross-Yoke-Getüebe.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of double-acting alpha type as a stepped piston working piston, which are coupled via a wobble disc gear with a shaft.
  • Figure 9 shows an embodiment of a Stirling machine of the beta type with a trained as a stepped piston displacer.
  • Figure 10 shows an embodiment which, in terms of function and kinematics, is practically equivalent to the example of Figure 3; However, instead of a stepped piston, an at least partially hollow differential piston which is arranged between a tube protruding into the cylinder and the cylinder inner wall is used as the displacement piston.
  • Figure 1 1 shows an embodiment which, as far as the function and the kinematics is concerned, is practically equivalent to the example of Figure 5, being used as a displacer instead of a stepped piston, an at least partially hollow differential piston and a working piston as an annular piston, wherein both the differential piston and the annular piston are each arranged between a tube which projects into the respective cylinder, and the cylinder inner wall.
  • Figure 12 shows an embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of the double-acting alpha-type (similar to Fig. 4) with a working piston, which is designed as a differential piston which projects between a tube which projects into the cylinder, and the cylinder inner wall is arranged.
  • Figure 13 illustrates an example of a Manson motor with a stepped piston according to the embodiments described herein.
  • FIG. 14 shows an alternative coupling between the stepped piston and the crank drive of a Stirling engine according to FIG. 4.
  • Fig. 1 shows an example of the structure of a Stirling machine of the gamma type.
  • the trailing with, for example, 90 degrees behind the displacer VK working piston AK is connected via a line L to the displacer VZ. Not shown are means for guiding the connecting rod to receive the lateral force.
  • Various examples are described in the publications WO 2009/082997 A2 and DE 102 29 442 AI.
  • the hot end H of a working cylinder AZ is connected via heater E, regenerator R and radiator K to the cold end C of the next working cylinder AZ '.
  • this type only works on machines with several cylinders.
  • the outwardly directed end of the piston rod 13 may be connected to a connecting rod of a crank mechanism (e.g., connecting rod 12, crankshaft 10) which provides the oscillating motions.
  • a crank mechanism e.g., connecting rod 12, crankshaft 10.
  • piston rod referred to in the embodiments described herein, a rod which is rigidly connected to the respective piston (non-pivoting), so that the piston rod can move only along the piston longitudinal axis S.
  • a connecting rod with respect to the piston longitudinal axis S is pivotally mounted.
  • the piston rod 13 in the region of the passage from the cylinder VZ (see Fig. 1) or AZ (see Fig. 2) takes those side forces, which are caused by the inclination of the connecting rod 12. These lateral forces may be problematic with respect to the bearing of the piston rod 13. In some constructions, therefore, additional longitudinal guides - such as crosshead guides - mounted to relieve the piston rod 13. However, such machine elements can lead to an increase in the overall height of the entire arrangement, which is why usually relatively short connecting rods 12 are used. These in turn cause an unfavorable ratio of crank radius ⁇ to Pleuelpen l p (lambda value, see Fig.
  • crank drive is generally considered to be a mechanical functional unit designed to convert an oscillating translatory movement of the pistons into a rotation.
  • a crank mechanism does not necessarily have to be configured as in the examples according to FIG.
  • crank mechanism may have a Ross-Yoke mechanism.
  • a swash plate may be connected to the shaft to convert the oscillating motion of the pistons into a rotation.
  • Fig. 3 shows an example of an improved embodiment of a Stirling machine of the gamma type.
  • the illustrated example is substantially the same as the example of Fig. 1, but the displacer VK has at its lower end (on the "cool" side C) instead of the piston rod 13, a hollow cylinder (tube) having an outer diameter d, the smaller
  • the piston VK is a differential piston formed as a (double-acting) stepped piston, which has a first portion Si of a larger diameter D and a second portion S 2 of a smaller diameter d having.
  • the designed as a stepped piston displacer VK is at least partially hollow, and the hollow cylinder with diameter d (section S 2 of the stepped piston) allows a passage for a sufficiently long connecting rod 12, the upper end in the interior of the stepped piston VK in the region of larger diameter D (section Si of the stepped piston VK) is hinged thereto.
  • the connecting rod 12 is therefore not connected to the lower end of the piston VK with this, but extends far into the piston VK into the section Si inside. Compared to the example of FIG. 1, the connecting rod 12 can thereby be made significantly longer.
  • the area of the larger diameter D (section Si) is clearly delimited in the exemplary embodiments illustrated here and lies (in the axial direction) above the step in the stepped piston, at which the diameter widens from the smaller value d to the larger value D.
  • the region Si of the larger diameter is that (axial) cylinder portion in which the diameter is larger than the small diameter d.
  • the pivot axis of the connecting rod 12 is designated A.
  • the connecting rod 12 may be articulated by means of different types of bearings in the piston.
  • a cylindrical plain bearing or rolling bearing can be used.
  • a spherical spherical plain bearing can be used. This may e.g. be arranged at the upper end of the connecting rod 12.
  • the connecting rod is articulated as mentioned in the first section Si (in which the diameter of the piston VK is greater than the small diameter d) of the stepped piston. This means that the pivot axis A of the connecting rod 12 is located in the section Si.
  • each one Guide element F sliding surfaces
  • the piston force perpendicular to the piston center axis S is relatively low. Since this force is distributed to the two guide surfaces F, an extremely low specific surface loading of the sliding surfaces occurs.
  • This arrangement allows the use of oil-free sliding elements as guide elements F, for example, PTFE-graphite compounds with a low coefficient of friction.
  • the two sliding elements F also ensure an exact linear guidance of the piston VK and prevent tilting movements, as they can occur settin in one-piece or closely spaced guide.
  • the dimensioning of the diameter of the stepped piston VK can for example be such that the smaller diameter d of the stepped piston (outer diameter hollow cylinder) has about 70% of the larger diameter D of the stepped piston, corresponding to a surface division of the forming annular surface ((D 2 - ⁇ 2 ) ⁇ / 4) in relation to the circular surface defined by the hollow cylinder ( ⁇ 2 ⁇ / 4) of approximately 1: 1.
  • the second section S 2 of the stepped piston VK and the cylinder surface there is an annular volume which, during operation, is cooled working gas is filled.
  • the area below the step of the step cylinder is therefore the "cool side" C the stepped piston VK and the positive displacement VZ.
  • the cylinder volume in the displacement cylinder VZ above the stepped piston VK is filled during operation with hot working gas.
  • the area above the first section Si of the stepped piston VK is therefore the "hot side" H.
  • a sealing ring 20 is arranged in the second section S 2 of the stepped piston VK.
  • a further sealing ring 21 is arranged in the first section Si of the stepped piston VK.
  • the sealing ring 21 seals the hot side H against the cool side C of the displacer VZ
  • the sealing ring 20 seals the cool side C of the displacer VZ against an underlying buffer space P (see also Fig. 4, where there the stepped piston a working piston a double-acting alpha machine and are provided as seals piston rings).
  • the hot side H and the cool side C of the displacer cylinder VZ are connected via heaters E, regenerator R and cooler K, and therefore substantially equal pressure prevails on both sides.
  • the sealing ring 21 thus essentially serves to prevent a flow (leakage) of process gas between the stepped piston VK and the cylinder inner wall.
  • the sealing ring 20 must seal the interior of the displacer VZ against the buffer space P out, which is why the sealing ring 20 will usually be formed as a piston ring.
  • arranged on the working piston AK seal 22 must seal the working space of the working cylinder AZ against an underlying buffer space P, which is why the seal 22 will usually also be designed as a piston ring.
  • piston guides F and piston seals 20, 21 are mounted on or in the piston as moving with the piston elements or on the cylinder inside as fixed, non-moving elements are arranged and slide along the piston shaft.
  • the piston ring 21 and the guide element F are arranged in the region of the large diameter D of the stepped piston and the elements slide accordingly on the inner wall of the cylinder VZ.
  • the guide member F and the piston ring 20 are fixedly attached to the cylinder inner side.
  • Fig. 4 shows an example of an improved embodiment of a piston-cylinder unit, a double-acting Stirling machine alpha-type. From this piston-cylinder unit, multiple (e.g., four as in the example of Figure 2) may be coupled to a double-acting alpha machine.
  • the illustrated example is essentially the same as the piston-cylinder units in the example of FIG.
  • the working piston AK, AK 'at its lower end (on the "cool" side C) instead of the piston rods 13 each have a hollow cylinder (tube
  • the working pistons AK in the present example may be constructed substantially the same as the displacer VK formed as a stepped piston in the previous example 3 and 4, however, the operation of the two motor types in Figures 3 and 4 is different (see the above description of Figures 1 and 2).
  • the working pistons AK designed as stepped pistons may become However, for example in the seals differ from the displacement piston VK formed as a stepped piston VK from the previous example ge 20 and 21 may be formed in the present case both as (pressure-loaded) piston rings, since they have to withstand the pressure difference between the hot side H (expansion space) and the cool side C (compression space) of the working cylinder AZ, AZ '.
  • ⁇ lab streaking elements A ( ⁇ lab streifringe) in the field of leadership of the small piston diameter (section S 2 ) to install, without increasing the overall length of the machine significantly.
  • a low lambda value ( ⁇ ⁇ / I P ) allows an approximately sinusoidal piston movement along with low second-order force forces and a favorable course of the gas mass flow through heater E, regenerator R and radiator K.
  • the working piston is located AK approximately in the middle position, which is why no cranking is visible on the crankshaft 10.
  • Fig. 5 shows another embodiment of a Stirling engine from
  • the working piston AK is designed as a single-acting stepped piston.
  • the stepped piston has a first section Si 'with a larger outer diameter D' and a second section S 2 'with a smaller outer diameter d'.
  • the working space AR of the working cylinder AZ is the annular space which is formed between the cylinder inner wall and the second portion S 2 'of the stepped piston.
  • the connecting line L hiss the cool side C of the displacer VZ and the working cylinder thus flows into said annulus (cylinder space AR).
  • the working piston AK has along its longitudinal axis on a continuous opening, so that between the buffer space P and the cylinder space P 'on the end face of the working piston AK pressure equalization can take place.
  • the arrows shown in Fig. 5, which extend through the working piston, indicate that through the opening in the working piston AK through a gas flow is possible, which allows the mentioned pressure equalization.
  • Coupled with the working piston AK connecting rod 12 is - similar to the displacer VK - articulated in the interior of the working piston AK in the area Si 'of the larger diameter D'.
  • the sealing ring 23 seals the cylinder space AR (working space / annular space) of the working cylinder AZ from the buffer space P out.
  • Fig. 6 shows another embodiment of a Stirling engine from
  • Fig. 7 shows a variant of the example of Fig. 6.
  • the essential difference between the examples of Figs. 6 and 7 is in the crank mechanism, which has a so-called Ross-Yoke-Mechamsmus according to FIG.
  • the connecting rods 11 and 12 do not directly connect the pistons with the crankshaft 10, but the ends of the connecting rods 11 and 12 facing away from the pistons are articulated on a rocker 14 (yoke, yoke) which controls the oscillating motion of the pistons on the crankshaft Crankshaft 10 transmits.
  • the rocker 14 is additionally mounted on a further connecting rod 13 to the transmission housing.
  • Such a Ross-Yoke-Mechamsmus is known per se and is therefore not explained in detail.
  • the example of FIG. 7 is practically the same as the example of FIG. 6 and reference is made to the above explanations.
  • Fig. 8 shows a variant of the example of Fig. 4, wherein four or more cylinder units (working cylinder AZ, working cylinder AZ ') via a swash plate gear drive an output shaft 10.
  • four or more cylinder units working cylinder AZ, working cylinder AZ '
  • a swash plate gear drive an output shaft 10.
  • two (with respect to the transmission) opposite arranged cylinder units are shown.
  • the "crank" of the shaft 10 is formed by the inclined swash plate on which the connecting rods 11 and 12 are hinged (e.g., by means of spherical bearings).)
  • Swash plate gears are known per se and therefore will not be further explained here.
  • FIG. 8 shows a schematic plan view, in which it is shown how such a motor can be constructed.
  • a cylinder AZ in the first level Ei is connected (via heater E, regenerator R and radiator K) to a corresponding cylinder AZ in the second plane E 2 . This in turn is connected to the second cylinder AZ 'in the first plane, etc.
  • a Four-cylinder engine formed.
  • constructions with more than four cylinders are possible.
  • a stepped piston as described in the above examples of a gamma-type and (double-acting) alpha-type Stirling machine can also be used in a beta-type Stirling machine.
  • An example of a beta machine is shown in FIG. Similar to a gamma machine (see Fig. 3), a beta machine has a displacer VK and a working piston AK. However, unlike in the example according to Fig. 3, displacement piston VK and working piston AK move in the same cylinder Z.
  • the displacement piston VK is designed as a stepped piston, as in the gamma machine (see Fig.
  • the connecting rod 12, which the stepped piston VK connects to the crankshaft 10 passes through the second portion S 2 of the (at least partially hollow) stepped piston VK and is articulated in the first portion Si of the stepped piston VK.
  • the illustrated embodiment of the displacer VK allows the use of a comparatively long connecting rod 12 and an improvement in the lambda value.
  • a guide element F sliding surfaces
  • D section Si
  • the working piston AK is designed as an annular piston (ring piston) and moves coaxially to the displacer VK.
  • the outer diameter of the annular piston AK is denoted by D A and the inner diameter of the annular piston corresponds (apart from the piston clearance) to the small diameter d of the stepped piston VK.
  • the section S 2 of the stepped piston VK with the smaller diameter d is passed through the annular piston AK.
  • the sealing rings can be arranged on the annular piston AK, once outside sealing (seal 22a) once inside sealing (seal 22b).
  • the guide sliding surfaces F can be arranged on the annular piston AK (inside and outside).
  • Fig. 9 designed as an annular piston piston AK is coupled via two symmetrically to the central axis S arranged connecting rod I Ia, 1 lb to the crankshaft 10.
  • the cylinder Z is stepped, which allows a larger outer diameter D A of the annular piston AK compared to the outer diameter D of the portion Si of the stepped piston VK.
  • the piston surface obtained by the larger outer diameter D A (annular surface (Ü A 2 -d 2 ) x ⁇ 4) can be used to correspondingly reduce the piston stroke of the working piston. This can be at the connecting rods 1 la, 1 lb, which are necessarily shorter than the connecting rod 12, a similar favorable lambda reach as the connecting rod 12 of the displacer VK.
  • the piston surfaces (annular surfaces) of stepped pistons (displacer piston VK) and annular piston (working piston AK) and the associated piston strokes can be selected so that the ratio of the stroke volumes is approximately 1: 1.
  • the displacement piston VK is located approximately at half the stroke, for which reason no cranking is visible on the crankshaft 10.
  • the displacer VK advances the working piston AK about 90 degrees (in relation to the angular position of the crankshaft 10).
  • the crankshaft 10 is arranged in the buffer space P as in the example according to FIG. 3.
  • Fig. 10 shows a variant of the embodiment of Fig. 3.
  • the examples of Figs. 3 and 10 are functionally and kinematically equivalent. The two examples differ only in the construction of the displacement cylinder VZ and the displacer VK arranged therein, wherein the piston stroke and cylinder volume can be the same in both variants.
  • a slightly differently designed differential piston is used instead of a stepped piston.
  • the differential piston is guided coaxially to a tube R, which projects into the interior of the displacement cylinder VZ (and in the differential piston).
  • the differential piston is (at least partially) hollow and disposed between the tube R and the cylinder inner wall, so that below the differential piston between the lateral surface of the tube R and the inner surface of the cylinder, an annular cylinder space (annulus) is formed, as is the case with the use of a stepped piston Case would be.
  • the guide not shown in FIG. 10 may be arranged on the differential piston outside or on the cylinder inner wall.
  • the tube R is rigidly connected to the motor housing (eg screwed) and the seal 20 seals the annulus (ie the cool side C of the displacer VZ) to the inside of the differential piston, where the same pressure prevails as in the buffer space P.
  • the through the Pipe R extending arrows in Fig.
  • Fig. 11 is a modification of the example of Fig. 5. Both examples are functionally and kinematically equivalent.
  • displacement cylinders VZ and displacement pistons VK have the same structure as in the previous example from FIG. 10. This construction replaces the stepped piston from FIG. 5.
  • the working piston AK is designed as an annular piston according to FIG. 11, which is likewise located between a pipe R '. , which projects into the working piston AK, arranged and sealed to the lateral surface of a tube R '(see, for example piston ring 23).
  • the pipe R ' is - analogous to the pipe R in the displacement cylinder VZ - rigidly connected to the motor housing and protrudes as mentioned in the working cylinder AZ inside.
  • FIG. 11 displacement cylinders VZ and displacement pistons VK have the same structure as in the previous example from FIG. 10.
  • the working piston AK is designed as an annular piston according to FIG. 11, which is likewise located between a pipe R '. , which projects into the working piston
  • the working piston AK is hollow and allows pressure equalization between the buffer space P and the cylinder space P 'on the end face of the working piston AK.
  • the sealing ring 22 is substantially the same as in Fig. 5.
  • the sealing ring 23 seals between the working piston AK and pipe R '.
  • Fig. 12 is a modification of the example of Fig. 4, wherein the stepped piston of Fig. 4 has been replaced by a differential piston.
  • Working cylinder AZ and working piston AK are essentially constructed as displacement piston VK and displacement cylinder in Fig. 11 and reference is made to the above explanations.
  • a plurality (e.g., four) of cylinder units may be combined to form an alpha-type double acting Stirling engine.
  • Fig. 13 shows an example of a hot gas engine, which has become known under the name Manson engine. Since the working gas does not circulate in a closed circuit (but via a valve is a connection to the buffer space or to the atmosphere), the Manson engine shown is actually not a Stirling engine.
  • Stepped piston acts equally as positive displacement and working piston and is referred to in the present example with AK.
  • a valve V is opened for a short time, which connects the annular cylinder space (between the narrower portion of the stepped piston and the inner wall of the cylinder AZ) with the ambient pressure in the buffer space P.
  • the mechanical valve control may, for example, comprise a lever 41 which is mounted pivotably about a pivot point 40 and which is tilted by means of cams 44a and 44b arranged on the shaft 10.
  • the lever 41 transmits this tilting movement to the valve stem of the valve V against the restoring force of a spring 42.
  • a roller 43 may be attached, which rolls on the shaft 10.
  • Structure and function of a Manson motor are known per se (eg from the publications DE 199 04 269 AI and GB 2554458 A) and are therefore not further explained here.
  • the advantages explained in relation to the other exemplary embodiments of the articulation of the connecting rod 12 in the region of the large diameter D of the stepped piston also apply to the Manson motor.
  • the transmission (see Fig. 14, gear compartment G) is not used as a buffer space, but operates under atmospheric pressure.
  • the buffer space (which is under the pressure of the working gas) must be sealed against the gear housing, which is done with a piston rod, for example by means of special sealing elements.
  • a sealing element is known per se.
  • FIG. Fig. 14 shows a piston-cylinder unit of an alpha-type double acting Stirling engine.
  • piston-cylinder units eg four as in the example of Figure 2
  • a double-acting stepped piston is provided as a working piston AK according to the illustrated example.
  • the stepped piston AK has, as in the previous examples, a first section Si with a larger diameter D and a second section S 2 with a smaller diameter d, wherein the stepped piston AK at least partially (at least in the region of the second section S 2 with diameter d) is hollow.
  • the stepped piston AK is not directly connected to a connecting rod of a crank mechanism, but has (as in the example of FIG. 2) a piston rod 13.
  • the guiding and sealing elements of the piston rod 13 can be arranged within the piston stem of the stepped piston facing the crank drive (section S 2 with external diameter d).
  • the piston rod 13, for example via a connecting rod with a crankshaft in the same or similar manner be connected as in the example of FIG. 2 (with the associated disadvantages).
  • the second portion S 2 of the stepped piston AK which faces the crank mechanism opens into a buffer space P for the working gas of the Stirling engine.
  • a partition wall 33 separates the crankcase between buffer space P and gear space G, in which the transmission is arranged (not shown in FIG. 14, cf. FIGS. 7 and 8).
  • the piston rod 13 connected to the stepped piston AK is passed through an opening in the partition wall 33.
  • the seal comprises a sleeve 31 rigidly connected to the partition wall 33, through which the piston rod 13 passes. Within the sleeve 31, an annular sealing member 35 is disposed around the piston rod 13 around.
  • the sealing element 35 is clamped along the longitudinal axis S of the piston rod 13 (cylinder axis S) between two conically shaped discs 34.
  • the necessary biasing force is generated by a spring 32, which may be disposed within the sleeve 31 around the piston rod 13 around (eg in the case of a coil spring) and on the discs 34 a force along the longitudinal axis S of the piston rod 13 exerts.
  • a spring 32 which may be disposed within the sleeve 31 around the piston rod 13 around (eg in the case of a coil spring) and on the discs 34 a force along the longitudinal axis S of the piston rod 13 exerts.
  • there is no separation between buffer space P and gear space G and the crank drive is arranged in the buffer space.
  • the present example allows a separation of buffer space P and gear room G, so that the transmission can operate under ambient pressure.
  • a construction according to FIG. 2 would theoretically not require any buffer space.
  • a separate buffer space P may be advantageous since otherwise the

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Abstract

A Stirling engine is described which, in accordance with a first exemplary embodiment, has a transmission with a connecting rod and a double-acting step piston which is arranged in a cylinder. The step piston has a first section with a greater diameter and a second section with a smaller diameter, and is at least partially hollow. The connecting rod runs on the inside through the second section, and is connected in an articulated manner in the first section of the step piston.

Description

HEISSGASMASCHINE MIT STUFENKOLBEN  HOT GAS MACHINE WITH LEVEL PISTON
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Heißgasmaschine mit zumindest einem doppelt wirkenden Verdränger- oder Arbeitskolben, beispielsweise eine Stirlingma- schine. [0001] The present description relates to a hot gas engine with at least one double-acting displacer or working piston, for example a Stirling engine.
HINTERGRUND BACKGROUND
[0002] Stirlingmaschinen sind vermutlich die bekanntesten Vertreter von Heißgasmaschinen. Sofern Luft als Arbeitsgas verwendet wird, ist auch der Begriff Heißluftmaschine gebräuchlich. Einige solcher Maschinen können sowohl als Motor mit externer Verbrennung, als auch als Wärmepumpe oder Kältemaschine betrieben werden. Andere bekannte Typen von Heißgasmaschinen sind z.B. der Manson-Motor, der Ericsson-Motor, etc. Heutzutage wird der Begriff„Stirlingmaschine" als Sammelbegriff für unterschiedliche Heißgasmaschinen mit einem abgeschlossenen Gaskreislauf (d.h. das Arbeitsgas zirkuliert ausschließlich innerhalb der Maschine ohne Kontakt zur umgebenden Atmosphäre) verwendet. Bei Stirlingmaschinen können drei grundlegende Typen unterschieden werden, die als Alpha- Typ, Beta-Typ und Gamma- Typ bezeichnet werden, wobei wiederum verschiedener Varianten der einzelnen Typen, teilweise unter speziellen Namen bekannt geworden sind (z.B. Rider-Motor, Siemens-Motor, etc.). Darüber hinaus wird beim Alpha- Typ noch zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Maschinen unterschieden. Von allen diesen Typen ist eine Vielzahl spezifischer Bauweisen bekannt. Die verschiedenen Typen und Bauweisen von Stirlingmaschinen haben unter verschiedenen Gesichtspunkten jeweils Vor- und Nachteile. Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Heißgasmaschine zu schaffen, welche gewisse Nachteile von Stirlingmaschinen mit Verdrängerkolben (Beta- und Gamma-Typ) oder mit doppeltwirkenden Arbeitskolben (doppeltwirkender Alpha-Typ) und anderen Typen von Heißgasmaschinen vermeidet. Stirling engines are probably the best known representatives of hot gas engines. If air is used as working gas, the term hot air machine is also used. Some such machines can be operated both as an external combustion engine, as a heat pump or chiller. Other known types of hot gas engines are e.g. the Manson engine, the Ericsson engine, etc. Nowadays, the term "Stirling engine" is used as a generic term for different hot gas engines with a closed gas cycle (ie the working gas circulates exclusively within the engine without contact with the surrounding atmosphere) A distinction is made between types which are referred to as alpha type, beta type and gamma type, whereby in turn different variants of the individual types have become known in some cases under special names (eg rider motor, Siemens motor, etc.) In addition, a distinction is made in the alpha type between single-acting and double-acting machines, of which all types are known for a variety of specific designs , an improved hot gas machine ne which avoids certain disadvantages of Stirling engines with displacement piston (beta and gamma type) or with double-acting working piston (double-acting alpha type) and other types of hot gas engines.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
[0003] Die oben genannte Aufgabe wird durch die Stirlingmaschine gemäß Anspruch 1, 15 oder 25 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. [0004] Es wird eine Heißgasmaschine beschrieben, die gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ein Getriebe (Triebwerk, Kurbeltrieb) mit einem Pleuel sowie einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben aufweist. Der Stufenkolben hat einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser und ist zumindest teilweise hohl. Das Pleuel verläuft innen durch den zweiten Abschnitt hindurch und ist im ersten Abschnitt des Stufenkolbens angelenkt. The above object is achieved by the Stirling engine according to claim 1, 15 or 25. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims. It is a hot gas engine is described, which has a transmission (engine, crank mechanism) with a connecting rod and arranged in a cylinder double-acting stepped piston according to a first embodiment. The stepped piston has a first portion with a larger diameter and a second portion with a smaller diameter and is at least partially hollow. The connecting rod extends inside through the second section and is articulated in the first section of the stepped piston.
[0005] In einem allgemeinen Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine ein Getriebe mit einem Pleuel sowie einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Kolben (Differentialkolben) auf. Zylinder und Kolben sind so ausgestaltet, dass in dem Zylinder ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, wobei der Kolben zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel im Inneren des Kolbens an einer Position angelenkt ist, sodass der ringförmige Zylinderraum um das Pleuel herum verläuft. Der Kolben kann entweder ein als Stufenkolben ausgebildeter Differentialkolben oder ein Differentialkolben sein, der auf außen auf einem koaxial zum Zylinder angeordneten Rohr geführt wird, das in den Zylinderinnenraum hinein ragt, wodurch der ringförmige Zylinderraum unter dem Kolben gebildet wird. In a general embodiment, the hot gas engine, a transmission with a connecting rod and arranged in a cylinder double-acting piston (differential piston) on. Cylinders and pistons are configured to form an annular cylinder space in the cylinder, the piston being at least partially hollow, and the connecting rod being articulated in the interior of the piston at a position such that the annular cylinder space extends around the connecting rod. The piston may be either a differential piston designed as a stepped piston or a differential piston which is guided on the outside on a tube arranged coaxially to the cylinder, which protrudes into the cylinder interior, whereby the annular cylinder space is formed below the piston.
[0006] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine, ein Getriebe mit einem Pleuel, einen Zylinder sowie ein Rohr auf, das zumindest teilweise im Inneren des Zylinders angeordnet ist. Ein Ende eines zumindest teilweise hohlen Differentialkolbens ist zwischen Rohr und der Innenwand des Zylinders angeordnet, sodass ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird. Das Pleuel verläuft durch das Rohr hindurch und ist im Inneren des Differentialkolbens an diesem angelenkt. According to a further embodiment, the hot gas engine, a transmission with a connecting rod, a cylinder and a tube which is at least partially disposed in the interior of the cylinder. One end of an at least partially hollow differential piston is disposed between the tube and the inner wall of the cylinder, so that an annular cylinder space is formed. The connecting rod passes through the tube and is articulated in the interior of the differential piston at this.
[0007] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Heißgasmaschine ein Getriebe auf, das in einem Getrieberaum angeordnet ist, in dem Umgebung sdruck herrscht. Die Stirlingmaschine weist weiter einen in einem Zylinder angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben auf, der einen ersten Abschnitt mit einem größeren Durchmesser und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser hat. Der Stufenkolben ist zumindest teilweise hohl und weist im Inneren eine Kolbenstange auf, die mechanisch mit dem Getriebe gekoppelt ist. Der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt des Stufenkolbens mündet in einen Pufferraum für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine, und im Inneren des Stufenkolbens ist zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet, die eine Durchführung der Kolbenstange zwischen Pufferraum und Getrieberaum abdichtet. According to a further embodiment, the hot gas engine to a transmission which is arranged in a gear compartment, in the ambient pressure prevails. The Stirling engine further includes a double-acting, stepped piston arranged in a cylinder, which has a first portion with a larger diameter and a second portion with a smaller diameter. The stepped piston is at least partially hollow and has inside a piston rod which is mechanically coupled to the transmission. The gearbox facing second portion of the stepped piston opens into a buffer space for the working gas of the Stirling engine, and inside the Stepped piston is at least a part of a sealing device arranged which seals a passage of the piston rod between the buffer space and gear room.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen: The invention will be explained in more detail with reference to the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily to scale and the invention is not limited to the aspects presented. Rather, emphasis is placed on representing the principles underlying the invention. To the pictures:
[0009] Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stiiiingmaschine vom Gamma- Typ. Figure 1 shows a schematic structure of a Stiiiingmaschine gamma type.
[0010] Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Stii ingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha- Typ. FIG. 2 shows a schematic structure of a double acting alpha type stuffer.
[001 1 ] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma- Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben. FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a Gamma-type Stirling engine with a displacer piston designed as a stepped piston.
[0012] Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben. Figure 4 shows an embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of the double-acting alpha-type with a stepped piston designed as a working piston.
[0013 ) Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stii ingmaschine vom Gamma-Typ- ähnlich wie Fig. 3, wobei der Arbeitskolben als (einfach wirkender) Stufenkolben ausgebildet ist. . FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a gamma-type Stii ingmaschine similar to FIG. 3, wherein the working piston is designed as (single-acting) stepped piston. ,
[0014] Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stiiiingmaschine vom Gamma-Typ, die, was die Funktion betrifft, ähnlich zu dem Beispiel aus Fig. 5 ist, jedoch parallel angeordnete Kolben und Zylinder aufweist. Figure 6 shows an embodiment of a gamma-type forming machine similar in function to the example of Figure 5, but having pistons and cylinders arranged in parallel.
[0015] Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stiiiingmaschine vom Gamma-Typ, die, was die Funktion betrifft, ähnlich zu dem Beispiel aus Fig. 6 ist, jedoch als Kurbeltrieb eine sogenanntes Ross-Yoke-Getüebe aufweist. [0016] Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirling- maschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben, die über ein Taumel Scheibengetriebe mit einer Welle gekoppelt sind. Figure 7 shows an embodiment of a Stiiiingmaschine gamma-type, which, as far as the function is similar to the example of FIG. 6, but as a crank mechanism has a so-called Ross-Yoke-Getüebe. FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of double-acting alpha type as a stepped piston working piston, which are coupled via a wobble disc gear with a shaft.
[0017] Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Beta-Typ mit einem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben. Figure 9 shows an embodiment of a Stirling machine of the beta type with a trained as a stepped piston displacer.
[0018] Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches, was die Funktion und die Kinematik betrifft, praktisch äquivalent zu dem Beispiel aus Fig. 3 ist; als Verdrängerkolben wird allerdings statt eines Stufenkolbens ein zumindest teilweise hohler Differentialkolben verwendet, der zwischen einem Rohr, das in den Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet ist. Figure 10 shows an embodiment which, in terms of function and kinematics, is practically equivalent to the example of Figure 3; However, instead of a stepped piston, an at least partially hollow differential piston which is arranged between a tube protruding into the cylinder and the cylinder inner wall is used as the displacement piston.
[0019] Figur 1 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches, was die Funktion und die Kinematik betrifft, praktisch äquivalent zu dem Bespiel aus Fig. 5 ist, wobei als Verdrängerkolben statt eines Stufenkolbens ein zumindest teilweise hohler Differentialkolben und als Arbeitskolben ein Ringkolben verwendet wird, wobei sowohl der Differentialkolben als auch der Ringkolben jeweils zwischen einem Rohr, das in den jeweiligen Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet sind. Figure 1 1 shows an embodiment which, as far as the function and the kinematics is concerned, is practically equivalent to the example of Figure 5, being used as a displacer instead of a stepped piston, an at least partially hollow differential piston and a working piston as an annular piston, wherein both the differential piston and the annular piston are each arranged between a tube which projects into the respective cylinder, and the cylinder inner wall.
[0020] Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit einer Stirlingmaschine vom doppelt wirkenden Alpha-Typ (ähnlich wie in Fig. 4) mit einem Arbeitskolben, der als Differentialkolben ausgebildet ist, der zwischen einem Rohr, das in den Zylinder hineinragt, und der Zylinderinnenwand angeordnet ist. Figure 12 shows an embodiment of a piston-cylinder unit of a Stirling engine of the double-acting alpha-type (similar to Fig. 4) with a working piston, which is designed as a differential piston which projects between a tube which projects into the cylinder, and the cylinder inner wall is arranged.
[0021 ] Figur 13 illustriert zeigt ein Beispiel eines Manson-Motors mit einem Stufenkolben gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Figure 13 illustrates an example of a Manson motor with a stepped piston according to the embodiments described herein.
[0022] Figur 14 zeigt eine alternative Kopplung zwischen Stufenkolben und Kurbeltrieb einer Stirlingmaschine gemäß Fig. 4. FIG. 14 shows an alternative coupling between the stepped piston and the crank drive of a Stirling engine according to FIG. 4.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
[0023] Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen hauptsächlich unterschiedliche Typen von Stirlingmaschinen. Die hier beschriebenen Konzepte (insbesondere die die Grundform der Kolben und dessen mechanische Kopplung mit dem Getriebe) sind jedoch zumindest teilweise auf andere Typen von Heißgasmaschinen übertragbar. Zudem können die anhand der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen erläuterten Bauformen von Zylinder und Kolben bei mehrzylindrigen Maschinen beliebig kombiniert werden. Fig. 1 zeigt exemplarisch den Aufbau einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ. Die Wirkungsweise einer solchen Stirlingmaschine vom Gamma-Typ beruht darauf, dass beispielsweise ein über einen Kurbeltrieb (z.B. mit Kurbelwelle 10 und Pleuel 12) betätigter Verdrängerkolben VK in einem Verdrängerzylinder VZ das Arbeitsgas wechselweise über Wärmetauscher (Erhitzer E), Regenerator R und Kühler K zwischen einer„heißen" Seite H und einer„kühlen" Seite C des Verdrängerzylinders VZ hin und her befördert. Die dabei entstehenden Druckänderungen wirken auf einen Arbeitskolben AK (rechts in Fig. 1), der die resultierenden Kräfte auf die Kurbelwelle 10 überträgt und dort ein Drehmoment erzeugt. Die Kolbenstange 13 des Verdrängerkolbens VK ist über eine Durchführung aus dem Verdrängerzylinder VZ herausgeführt (Dichtung 30) und über ein kurzes Pleuel 12 mit der Kurbelwelle 10 verbunden. Der mit beispielsweise 90 Grad hinter dem Verdrängerkolben VK nachlaufende Arbeitskolben AK ist über eine Leitung L mit dem Verdrängerzylinder VZ verbunden. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Verschiedene Beispiele sind in den Publikationen WO 2009/082997 A2 und DE 102 29 442 AI beschrieben. The embodiments described herein mainly relate to different types of Stirling engines. The concepts described here (in particular the However, basic shape of the piston and its mechanical coupling with the transmission) are at least partially transferable to other types of hot gas engines. In addition, the designs of cylinder and piston explained with reference to the various exemplary embodiments described here can be combined as desired in multi-cylinder machines. Fig. 1 shows an example of the structure of a Stirling machine of the gamma type. The operation of such a gyro-type Stirling engine is based on the fact that, for example, via a crank drive (eg crankshaft 10 and connecting rod 12) operated displacement piston VK in a positive displacement VZ the working gas alternately via heat exchanger (heater E), regenerator R and radiator K between a "hot" side H and a "cool" side C of the displacer VZ reciprocated. The resulting pressure changes act on a working piston AK (right in FIG. 1), which transmits the resulting forces to the crankshaft 10 and generates a torque there. The piston rod 13 of the displacer VK is led out via a passage from the displacer cylinder VZ (seal 30) and connected via a short connecting rod 12 with the crankshaft 10. The trailing with, for example, 90 degrees behind the displacer VK working piston AK is connected via a line L to the displacer VZ. Not shown are means for guiding the connecting rod to receive the lateral force. Various examples are described in the publications WO 2009/082997 A2 and DE 102 29 442 AI.
[0024] Eine mit dem im Verdrängerzylinder VZ angeordneten Verdrängerkolben VK beim Gamma-Typ (siehe Fig. 1) vergleichbare Konstruktion wird bei einer doppeltwirkenden Stirlingmaschine vom Alpha- Typ (auch Siemens-Typ genannt) verwendet, die in Fig. 2 exemplarisch dargestellt ist. Anders als der Gamma-Typ aus Fig. 1 weist eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ allerdings keinen separaten Verdrängerkolben bzw. Verdrängerzylinder, sondern mehrere miteinander verbundene Arbeitskolben- Arbeitszylindereinheiten. Dabei ist - wie in Fig. 2 dargestellt - das heiße Ende H eines Arbeitszylinders AZ jeweils über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K mit dem kalten Ende C des nächsten Arbeitszylinders AZ' verbunden. Insofern funktioniert dieser Typ nur bei Maschinen mit mehreren Zylindern. Häufig werden - wie in Fig. 2 gezeigt - vier Kolben-Zylindereinheiten eingesetzt, die jeweils gleich aufgebaut sind und deren Kolben um jeweils 90 Grad (bezogen auf eine volle Umdrehung der Kurbelwelle) phasenversetzt arbeiten. Die Winkelpositionen der einzelnen Arbeitskolben sind in Fig. 2 eingezeichnet. Es sind auch Maschinen mit mehr als vier Kolben-Zylindereinheiten möglich. Nicht dargestellt sind Einrichtungen zur Führung des Pleuelkopfes zwecks Aufnahme der Seitenkraft. Die dargestellte doppeltwirkende Stirlingmaschine wird auch als Siemens-Heißgasmotor bezeichnet. Verschiedene weitere Beispiele sind in den Publikationen US 3,940,934, US 4,069,671 und US 4,195,554 beschrieben A with the arranged in the displacer VZ displacer VK in the gamma type (see Fig. 1) comparable construction is used in a double-acting Stirling machine of the alpha type (also called Siemens type), which is shown in Fig. 2 by way of example , Unlike the gamma type of Fig. 1, however, an alpha-type double-acting Stirling engine does not have a separate displacer or displacer but a plurality of interconnected reciprocating working-cylinder units. Here, as shown in FIG. 2, the hot end H of a working cylinder AZ is connected via heater E, regenerator R and radiator K to the cold end C of the next working cylinder AZ '. In this respect, this type only works on machines with several cylinders. Frequently - as shown in Fig. 2 - four piston-cylinder units are used, each having the same structure and whose pistons are 90 degrees out of phase (based on a full revolution of the crankshaft) working out of phase. The angular positions of the individual working pistons are shown in Fig. 2. It Even machines with more than four piston-cylinder units are possible. Not shown are means for guiding the connecting rod to receive the lateral force. The illustrated double-acting Stirling engine is also referred to as a Siemens hot gas engine. Various other examples are described in the publications US 3,940,934, US 4,069,671 and US 4,195,554
[0025] Beiden Beispielen aus Fig. 1 und 2 ist gemeinsam, dass der Kolben (Verdrängerkolben VK beim Gamma-Typ, vgl. Fig. 1, bzw. der Arbeitskolben AK beim doppelt- wirkenden Alpha-Typ, vgl. Fig. 2) innerhalb eines gasdichten, mit Arbeitsgas gefüllten Zylinders (Verdrängerzylinder VZ beim Gamma-Typ bzw. Arbeitszylinder AZ beim doppeltwirkenden Alpha- Typ) bewegt wird. Die Kolbenkraft wird über eine am Kolben VK bzw. AK befestigte Kolbenstange 13 übertragen. Die Kolbenstange 13 ist in den dargestellten Beispielen am kühlen Ende C des Zylinders VZ bzw. AZ durch eine Öffnung geführt und abgedichtet (siehe Fig. 1, Dichtung 30). Das nach außen geführte Ende der Kolbenstange 13 kann mit einem Pleuel eines Kurbeltriebes (z.B. Pleuel 12, Kurbelwelle 10) verbunden sein, der die oszillierenden Bewegungen vorgibt. Der Begriff Kolbenstange bezeichnet in Bezug auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Stange, die mit dem jeweiligen Kolben starr (nicht schwenkbar) verbunden ist, sodass die Kolbenstange sich nur entlang der Kolbenlängsachse S bewegen kann. Im Gegensatz dazu ist ein Pleuel gegenüber der Kolbenlängsachse S schwenkbar gelagert. Common to both examples from Figures 1 and 2 is that the piston (displacer VK in the gamma type, see Fig. 1, and the working piston AK in the double-acting alpha type, see Fig. 2) within a gas-tight cylinder filled with working gas (displacement cylinder VZ for gamma type or working cylinder AZ for double-acting type alpha). The piston force is transmitted via a piston rod 13 attached to the piston VK or AK. The piston rod 13 is guided in the illustrated examples at the cool end C of the cylinder VZ or AZ through an opening and sealed (see Fig. 1, seal 30). The outwardly directed end of the piston rod 13 may be connected to a connecting rod of a crank mechanism (e.g., connecting rod 12, crankshaft 10) which provides the oscillating motions. The term piston rod referred to in the embodiments described herein, a rod which is rigidly connected to the respective piston (non-pivoting), so that the piston rod can move only along the piston longitudinal axis S. In contrast, a connecting rod with respect to the piston longitudinal axis S is pivotally mounted.
[0026] Bei den dargestellten Konstruktionen nimmt die Kolbenstange 13 im Bereich der Durchführung aus dem Zylinder VZ (vgl. Fig. 1) bzw. AZ (vgl. Fig. 2) jene Seitenkräfte auf, welche von der Schrägstellung des Pleuels 12 verursacht werden. Diese Seitenkräfte können in Bezug auf die Lagerung der Kolbenstange 13 problematisch sein. In manchen Konstruktionen werden daher zusätzliche Längsführungen - beispielsweise Kreuzkopfführungen - angebracht, um die Kolbenstange 13 zu entlasten. Derartige Maschinenelemente können jedoch zu einer Vergrößerung der Bauhöhe der gesamten Anordnung führen, weshalb meist relativ kurze Pleuel 12 eingesetzt werden. Diese wiederum bewirken ein ungünstiges Verhältnis von Kurbelradius ΓΚ ZU Pleuellänge lp (Lambda-Wert, siehe Fig. 1), was sich sowohl in Bezug auf hohe Seitenkräfte als auch auf einen hohen Anteil von Massenkräften zweiter Ordnung auswirkt. Darüber hinaus kann es für den thermodynamischen Prozess der Stirlingmaschine ungünstig sein, wenn die Kolbenbewegung stark von einem sinusförmigen Verlauf abweicht. [0027] Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb kann es erforderlich sein, entlang der Kolbenstange 13 Maßnahmen zu treffen, damit das Öl nicht in den Prozessraum bzw. in das Arbeitsgas gelangen kann. Solche Abdichtungen können zusätzlich zur Verlängerung der Bauhöhe der Stirlingmaschine beitragen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein Kurbelrieb im Allgemeinen als eine mechanische Funktionseinheit betrachtet wird, die dazu ausgebildet ist, eine oszillierende translatorische Bewegung der Kolben in eine Rotation umzuwandeln. Ein Kurbeltrieb muss also nicht notwendigerweise so ausgestaltet sein wie in den Beispielen gemäß Fig. 1 oder 2, bei denen die Pleuel direkt an einer Kurbelwelle abgelenkt sind. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Kurbeltrieb einen Ross-Yoke-Me- chanismus aufweisen. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann eine Taumelscheibe mit der Welle verbunden sein, um die oszillierende Bewegung der Kolben in eine Rotation umzuwandeln. In the illustrated constructions, the piston rod 13 in the region of the passage from the cylinder VZ (see Fig. 1) or AZ (see Fig. 2) takes those side forces, which are caused by the inclination of the connecting rod 12. These lateral forces may be problematic with respect to the bearing of the piston rod 13. In some constructions, therefore, additional longitudinal guides - such as crosshead guides - mounted to relieve the piston rod 13. However, such machine elements can lead to an increase in the overall height of the entire arrangement, which is why usually relatively short connecting rods 12 are used. These in turn cause an unfavorable ratio of crank radius ΓΚ to Pleuellänge l p (lambda value, see Fig. 1), which affects both in terms of high lateral forces as well as a high proportion of second order inertial forces. In addition, it may be unfavorable for the thermodynamic process of the Stirling engine, if the piston movement deviates greatly from a sinusoidal course. In oil-lubricated crank mechanism, it may be necessary to take measures along the piston rod 13, so that the oil can not get into the process chamber or in the working gas. Such seals may additionally contribute to lengthening the height of the Stirling engine. It should be noted at this point that a crank drive is generally considered to be a mechanical functional unit designed to convert an oscillating translatory movement of the pistons into a rotation. A crank mechanism does not necessarily have to be configured as in the examples according to FIG. 1 or 2, in which the connecting rods are deflected directly on a crankshaft. In an alternative embodiment, the crank mechanism may have a Ross-Yoke mechanism. In a further alternative embodiment, a swash plate may be connected to the shaft to convert the oscillating motion of the pistons into a rotation.
[0028] Fig. 3 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Gamma- Typ. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus Fig. 1, jedoch weist der Verdrängerkolben VK an seinem unteren Ende (an der „kühlen" Seite C) statt der Kolbenstange 13 einen Hohlzylinder (Rohr) mit einem Außendurchmesser d auf, der kleiner ist als der Außendurchmesser D des oberen Teils des Kolbens VK. In anderen Worten, der Kolben VK ist ein als (doppeltwirkender) Stufenkolben ausgebildeter Differentialkolben, der einen ersten Abschnitt Si mit einen größeren Durchmesser D und einen zweiten Abschnitt S2 mit einem kleineren Durchmesser d aufweist. Fig. 3 shows an example of an improved embodiment of a Stirling machine of the gamma type. The illustrated example is substantially the same as the example of Fig. 1, but the displacer VK has at its lower end (on the "cool" side C) instead of the piston rod 13, a hollow cylinder (tube) having an outer diameter d, the smaller In other words, the piston VK is a differential piston formed as a (double-acting) stepped piston, which has a first portion Si of a larger diameter D and a second portion S 2 of a smaller diameter d having.
[0029] Der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK ist zumindest teilweise hohl, und der Hohlzylinder mit Durchmesser d (Abschnitt S2 des Stufenkolbens) ermöglicht eine Durchführung für eine ausreichend lange Pleuelstange 12, deren oberes Ende im Inneren des Stufenkolbens VK im Bereich des größeren Durchmessers D (Abschnitt Si des Stufenkolbens VK) an diesem angelenkt ist. Die Pleuelstange 12 ist also nicht am unteren Ende des Kolbens VK mit diesem verbunden, sondern reicht weit in den Kolben VK bis in den Abschnitt Si hinein. Im Vergleich zu dem Beispiel aus Fig. 1 kann dadurch die Pleuelstange 12 deutlich länger ausgeführt werden. Der Bereich des größeren Durchmessers D (Abschnitt Si) ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen klar abgegrenzt und liegt (in axialer Richtung) oberhalb der Stufe im Stufenkolben, an der sich der Durchmesser vom kleineren Wert d auf den größeren Wert D aufweitet. Wenn der Übergang vom klei- neren Durchmesser d auf den größeren Durchmesser D nicht in einer Stufe, sondern graduell erfolgt, ist der Bereich Si des größeren Durchmessers jener (axiale) Zylinderabschnitt, in dem der Durchmesser größer ist als der kleine Durchmesser d. The designed as a stepped piston displacer VK is at least partially hollow, and the hollow cylinder with diameter d (section S 2 of the stepped piston) allows a passage for a sufficiently long connecting rod 12, the upper end in the interior of the stepped piston VK in the region of larger diameter D (section Si of the stepped piston VK) is hinged thereto. The connecting rod 12 is therefore not connected to the lower end of the piston VK with this, but extends far into the piston VK into the section Si inside. Compared to the example of FIG. 1, the connecting rod 12 can thereby be made significantly longer. The area of the larger diameter D (section Si) is clearly delimited in the exemplary embodiments illustrated here and lies (in the axial direction) above the step in the stepped piston, at which the diameter widens from the smaller value d to the larger value D. When the transition from small neren diameter d to the larger diameter D is not in a step, but gradually, the region Si of the larger diameter is that (axial) cylinder portion in which the diameter is larger than the small diameter d.
[0030] Die Schwenkachse des Pleuels 12 ist mit A bezeichnet. Das Pleuel 12 kann mittels unterschiedlicher Typen von Lagern im Kolben angelenkt sein. Beispielsweise kann ein zylindrisches Gleitlager oder Wälzlager verwendet werden. Alternativ kann ein sphärisches Gelenklager verwendet werden. Dieses kann z.B. am oberen Ende des Pleuels 12 angeordnet sein. Das Pleuel ist wie erwähnt im ersten Abschnitt Si (in dem der Durchmesser des Kolbens VK größer als der kleine Durchmesser d ist) des Stufenkolbens angelenkt. Das bedeutet, dass die Schwenkachse A des Pleuels 12 in dem Abschnitt Si liegt. The pivot axis of the connecting rod 12 is designated A. The connecting rod 12 may be articulated by means of different types of bearings in the piston. For example, a cylindrical plain bearing or rolling bearing can be used. Alternatively, a spherical spherical plain bearing can be used. This may e.g. be arranged at the upper end of the connecting rod 12. The connecting rod is articulated as mentioned in the first section Si (in which the diameter of the piston VK is greater than the small diameter d) of the stepped piston. This means that the pivot axis A of the connecting rod 12 is located in the section Si.
[0031 ] Zur Aufnahme der Kolben- Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Verdrängerzylinders VZ kann es sinnvoll sein, sowohl im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt Si) des Stufenkolbens VK als auch im Bereich des kleinen Durchmessers d (Abschnitt S2) jeweils ein Führungselement F (Gleitflächen) vorzusehen. Wegen des niedrigen Verhältnisses Kurbelradius/Pleuellänge ist die Kolbenkraft senkrecht zur Kolbenmittelachse S verhältnismäßig gering. Da sich diese Kraft auf die beiden Führungsflächen F aufteilt, tritt eine äußerst geringe spezifische Flächenbelastung der Gleitflächen auf. Diese Anordnung erlaubt die Verwendung von ölfreien Gleitelementen als Führungselemente F, beispielsweise aus PTFE-Graphit-Compounds mit niedrigem Reibungskoeffizienten. Die beiden Gleitelemente F sorgen darüber hinaus für eine exakte Linearführung des Kolbens VK und verhindern Kippbewegungen, wie sie bei einteiligen oder eng beabstandeten Führung selementen auftreten können. For receiving the piston side force perpendicular to the central axis S of the displacer VZ, it may be useful both in the region of the large diameter D (section Si) of the stepped piston VK and in the region of the small diameter d (section S 2 ) each one Guide element F (sliding surfaces) provided. Because of the low crank radius / rod length ratio, the piston force perpendicular to the piston center axis S is relatively low. Since this force is distributed to the two guide surfaces F, an extremely low specific surface loading of the sliding surfaces occurs. This arrangement allows the use of oil-free sliding elements as guide elements F, for example, PTFE-graphite compounds with a low coefficient of friction. The two sliding elements F also ensure an exact linear guidance of the piston VK and prevent tilting movements, as they can occur selementen in one-piece or closely spaced guide.
[0032] Die Dimensionierung der Durchmesser des Stufenkolbens VK kann beispielsweise derart erfolgen, dass der kleinere Durchmesser d des Stufenkolbens (Außendurchmesser Hohlzylinder) etwa 70% vom größeren Durchmesser D des Stufenkolbens aufweist, entsprechend einer Flächenaufteilung der sich bildenden Kreisringfläche ((D2- ά2)χπ/4) im Verhältnis zu der vom Hohlzylinder definierten Kreisfläche (ά2χπ/4) von rund 1 : 1. Zwischen dem zweiten Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK und der Zylinderoberfläche befindet sich ein Ringvolumen, welches im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist. Der Bereich unterhalb der Stufe des Stufenzylinders ist demnach die„kühle Seite" C des Stufenkolbens VK bzw. des Verdrängerzylinders VZ. Das Zylindervolumen im Verdrängerzylinder VZ oberhalb des Stufenkolbens VK ist im Betrieb mit heißem Arbeitsgas gefüllt. Der Bereich oberhalb des ersten Abschnitts Si des Stufenkolbens VK ist demnach die„heiße Seite" H. The dimensioning of the diameter of the stepped piston VK can for example be such that the smaller diameter d of the stepped piston (outer diameter hollow cylinder) has about 70% of the larger diameter D of the stepped piston, corresponding to a surface division of the forming annular surface ((D 2 - ά 2 ) χπ / 4) in relation to the circular surface defined by the hollow cylinder (ά 2 χπ / 4) of approximately 1: 1. Between the second section S 2 of the stepped piston VK and the cylinder surface there is an annular volume which, during operation, is cooled working gas is filled. The area below the step of the step cylinder is therefore the "cool side" C the stepped piston VK and the positive displacement VZ. The cylinder volume in the displacement cylinder VZ above the stepped piston VK is filled during operation with hot working gas. The area above the first section Si of the stepped piston VK is therefore the "hot side" H.
[0033] Im zweiten Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK ist ein Dichtring 20 angeordnet. Gleichermaßen ist im ersten Abschnitt Si des Stufenkolbens VK ein weiterer Dichtring 21 angeordnet. Der Dichtring 21 dichtet die heiße Seite H gegen die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ ab, wohingegen der Dichtring 20 die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichtet (vgl. auch Fig. 4, wobei dort der Stufenkolben ein Arbeitskolben einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine ist und als Dichtringe Kolbenringe vorgesehen sind). Im dargestellten Fall einer Gamma-Maschine sind die heiße Seite H und die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K verbunden, weswegen auf beiden Seiten im Wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Der Dichtring 21 dient also im Wesentlichen dazu, ein Durchströmen (Leckage) von Prozessgas zwischen dem Stufenkolben VK und der Zylinderinnenwand zu verhindern. Im Gegensatz dazu muss der Dichtring 20 den Innenraum des Verdrängerzylinders VZ gegen den Pufferraum P hin abdichten, weshalb der Dichtring 20 in der Regel als Kolbenring ausgebildet sein wird. Gleichermaßen muss die am Arbeitskolben AK angeordnete Dichtung 22 den Arbeitsraum des Arbeitszylinders AZ gegen einen darunter liegenden Pufferraum P abdichten, weshalb die Dichtung 22 in der Regel ebenfalls als Kolbenring ausgebildet sein wird. In the second section S 2 of the stepped piston VK, a sealing ring 20 is arranged. Likewise, a further sealing ring 21 is arranged in the first section Si of the stepped piston VK. The sealing ring 21 seals the hot side H against the cool side C of the displacer VZ, whereas the sealing ring 20 seals the cool side C of the displacer VZ against an underlying buffer space P (see also Fig. 4, where there the stepped piston a working piston a double-acting alpha machine and are provided as seals piston rings). In the illustrated case of a gamma machine, the hot side H and the cool side C of the displacer cylinder VZ are connected via heaters E, regenerator R and cooler K, and therefore substantially equal pressure prevails on both sides. The sealing ring 21 thus essentially serves to prevent a flow (leakage) of process gas between the stepped piston VK and the cylinder inner wall. In contrast, the sealing ring 20 must seal the interior of the displacer VZ against the buffer space P out, which is why the sealing ring 20 will usually be formed as a piston ring. Similarly, arranged on the working piston AK seal 22 must seal the working space of the working cylinder AZ against an underlying buffer space P, which is why the seal 22 will usually also be designed as a piston ring.
[0034] In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es nicht wichtig, ob die Kolbenführungen F und Kolbendichtungen 20, 21 (Kolbenringe) am bzw. im Kolben als sich mit dem Kolben bewegende Elemente montiert sind oder an der Zylinderinnenseite als fixe, sich nicht bewegende Elemente angeordnet sind und entlang des Kolbenschaftes gleiten. Am Beispiel Fig. 3 sind der Kolbenring 21 und das Führungselement F im Bereich des großen Durchmessers D des Stufenkolbens angeordnet und die Elemente gleiten dementsprechend an der Innenwand des Zylinders VZ. Im Gegensatz dazu sind im Bereich des kleinen Durchmessers d des Stufenkolbens das Führungselement F und der Kolbenring 20 feststehend an der Zylinderinnenseite angebracht. Die genannten Montagesituationen keine Auswirkung auf die Funktion der Stirlingmaschine haben, kann eine beliebige, für eine bestimmte Konstruktion am besten geeignete Variante gewählt werden. Daher wird in den weiteren Erläuterungen nicht mehr auf diesen Aspekt eingegangen. In the embodiments described here, it is not important whether the piston guides F and piston seals 20, 21 (piston rings) are mounted on or in the piston as moving with the piston elements or on the cylinder inside as fixed, non-moving elements are arranged and slide along the piston shaft. 3, the piston ring 21 and the guide element F are arranged in the region of the large diameter D of the stepped piston and the elements slide accordingly on the inner wall of the cylinder VZ. In contrast, in the area of the small diameter d of the stepped piston, the guide member F and the piston ring 20 are fixedly attached to the cylinder inner side. The above mounting situations no Depending on the function of the Stirling engine, any variant which is most suitable for a particular construction can be chosen. Therefore, the remainder of this discussion will not address this issue.
[0035] Fig. 4 zeigt exemplarisch ein verbessertes Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylindereinheit, einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha- Typ. Von dieser Kolben-Zylindereinheit können mehrere (z.B. vier wie in dem Beispiel aus Fig. 2) zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Das dargestellte Beispiel ist im Wesentlichen gleich wie die Kolben-Zylindereinheiten in dem Beispiel aus Fig. 2, jedoch weisen die Arbeitskolben AK, AK' an ihrem unteren Ende (an der„kühlen" Seite C) statt der Kolbenstangen 13 jeweils einen Hohlzylinder (Rohr) mit Durchmesser d auf, der kleiner ist als der Durchmesser D des oberen Teils des jeweiligen Kolbens AK, AK'. Für sich genommen können die Arbeitskolben AK im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen gleich konstruiert sein wie der als Stufenkolben ausgebildete Verdrängerkolben VK in dem vorherigen Beispiel aus Fig. 3, und auf die dazugehörige obige Beschreibung wird Bezug genommen. Die Funktionsweise der beiden Motortypen in Fig. 3 und 4 ist jedoch unterschiedlich (vgl. obige Beschreibung der Fig. 1 und 2). Die als Stufenkolben ausgebildeten Arbeitskolben AK können sich von dem als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK aus dem vorherigen Beispiel jedoch beispielsweise in den Dichtungen unterscheiden. Die Dichtringe 20 und 21 können im vorliegenden Fall beide als (druckbelastete) Kolbenringe ausgebildet sein, da sie den Druckunterschied zwischen der heißen Seite H (Expansionsraum) und der kühlen Seite C (Kompressionsraum) der Arbeitszylinder AZ, AZ' standhalten müssen. Fig. 4 shows an example of an improved embodiment of a piston-cylinder unit, a double-acting Stirling machine alpha-type. From this piston-cylinder unit, multiple (e.g., four as in the example of Figure 2) may be coupled to a double-acting alpha machine. The illustrated example is essentially the same as the piston-cylinder units in the example of FIG. 2, but the working piston AK, AK 'at its lower end (on the "cool" side C) instead of the piston rods 13 each have a hollow cylinder (tube By itself, the working pistons AK in the present example may be constructed substantially the same as the displacer VK formed as a stepped piston in the previous example 3 and 4, however, the operation of the two motor types in Figures 3 and 4 is different (see the above description of Figures 1 and 2). The working pistons AK designed as stepped pistons may become However, for example in the seals differ from the displacement piston VK formed as a stepped piston VK from the previous example ge 20 and 21 may be formed in the present case both as (pressure-loaded) piston rings, since they have to withstand the pressure difference between the hot side H (expansion space) and the cool side C (compression space) of the working cylinder AZ, AZ '.
[0036] Bei ölgeschmiertem Kurbeltrieb besteht die Möglichkeit, Ölab streif elemente A (Ölab streifringe) im Bereich der Führung des kleinen Kolbendurchmessers (Abschnitt S2) anzubringen, ohne die Baulänge der Maschine wesentlich zu vergrößern. Ein niedriger Lambda-Wert (ΓΚ/IP) ermöglicht eine annähernd sinusförmige Kolbenbewegung einhergehend mit geringen Massenkräften zweiter Ordnung und einen günstigen Verlauf der Gasmassenströmung durch Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K. In der Darstellung gemäß Fig. 4 befindet sich der Arbeitskolben AK ungefähr in Mittelstellung, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist. [0037] Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom In oil-lubricated crank mechanism, there is the possibility of Ölab streaking elements A (Ölab streifringe) in the field of leadership of the small piston diameter (section S 2 ) to install, without increasing the overall length of the machine significantly. A low lambda value (Γ Κ / I P ) allows an approximately sinusoidal piston movement along with low second-order force forces and a favorable course of the gas mass flow through heater E, regenerator R and radiator K. In the illustration according to FIG. 4, the working piston is located AK approximately in the middle position, which is why no cranking is visible on the crankshaft 10. Fig. 5 shows another embodiment of a Stirling engine from
Gamma-Typ, die ähnlich aufgebaut ist und wie das Beispiel aus Fig. 3. Anders als in Fig. 3 ist der Arbeitskolben AK jedoch als einfach wirkender Stufenkolben ausgebildet. Der Stufenkolben weist einen ersten Abschnitt Si ' mit einem größeren Außendurchmesser D' und einen zweiten Abschnitt S2' mit einem kleineren Außendurchmesser d' auf. Der Arbeitsraum AR des Arbeitszylinders AZ ist der Ringraum, der zwischen der Zylinderinnenwand und dem zweiten Abschnitt S2' des Stufenkolbens gebildet wird. Die Verbindungsleitung L zischen der kühlen Seite C des Verdrängerzylinders VZ und dem Arbeitszylinder mündet folglich in den erwähnten Ringraum (Zylinderraum AR). Gamma type, which has a similar structure and as the example of FIG. 3. Unlike in FIG. 3, however, the working piston AK is designed as a single-acting stepped piston. The stepped piston has a first section Si 'with a larger outer diameter D' and a second section S 2 'with a smaller outer diameter d'. The working space AR of the working cylinder AZ is the annular space which is formed between the cylinder inner wall and the second portion S 2 'of the stepped piston. The connecting line L hiss the cool side C of the displacer VZ and the working cylinder thus flows into said annulus (cylinder space AR).
[0038] Der Arbeitskolben AK weist entlang seiner Längsachse eine durchgehende Öffnung auf, sodass zwischen dem Pufferraum P und dem Zylinderraum P' an der Stirnfläche des Arbeitskolbens AK ein Druckausgleich stattfinden kann. Die in Fig. 5 eingezeichneten Pfeile, die durch den Arbeitskolben hindurch verlaufen, zeigen an, dass durch die Öffnung im Arbeitskolben AK hindurch eine Gasströmung möglich ist, was den erwähnten Druckausgleich ermöglicht. Das mit dem Arbeitskolben AK gekoppelte Pleuel 12 ist - ähnlich wie beim Verdrängerkolben VK - im Inneren des Arbeitskolbens AK im Bereich Si ' des größeren Durchmessers D' angelenkt. Der Dichtring 23 dichtet den Zylinderraum AR (Arbeitsraum/Ringraum) des Arbeitszylinders AZ zum Pufferraum P hin ab. Gleichermaßen dichtet der Dichtring 22 Arbeitsraum AR zum stirnseitigen Zylinderraum P' ab, in dem der gleiche Druck herrscht wie im Pufferraum P. Beide Dichtungen 22, 23 können als Kolbenringe ausgebildet sein. Im Übrigen (insbesondere in Bezug auf den Verdrängerzylinder VZ und den Kurbeltrieb) wird auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen. Im Vergleich zu dem Beispiel aus Fig. 3 ermöglicht die Variante aus Fig. 5 eine kürzere Leitung L zwischen Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ und folglich einen kleineren Totraum, bei vergleichsweise langem Pleuel 11. The working piston AK has along its longitudinal axis on a continuous opening, so that between the buffer space P and the cylinder space P 'on the end face of the working piston AK pressure equalization can take place. The arrows shown in Fig. 5, which extend through the working piston, indicate that through the opening in the working piston AK through a gas flow is possible, which allows the mentioned pressure equalization. Coupled with the working piston AK connecting rod 12 is - similar to the displacer VK - articulated in the interior of the working piston AK in the area Si 'of the larger diameter D'. The sealing ring 23 seals the cylinder space AR (working space / annular space) of the working cylinder AZ from the buffer space P out. Similarly seals the sealing ring 22 working space AR to the frontal cylinder chamber P ', in which the same pressure prevails as in the buffer space P. Both seals 22, 23 may be formed as piston rings. Otherwise (in particular with regard to the displacement cylinder VZ and the crank drive), reference is made to the description of FIG. 3. Compared to the example of FIG. 3, the variant of FIG. 5 enables a shorter line L between the displacement cylinder VZ and the working cylinder AZ and consequently a smaller dead space, with a comparatively long connecting rod 11.
[0039] Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stirlingmaschine vom Fig. 6 shows another embodiment of a Stirling engine from
Gamma-Typ, welche - was die Funktion und die Ausgestaltung der Kolben betrifft - dem vorherigen Beispiel aus Fig. 5 sehr ähnlich ist. Der wesentliche Unterschied zwischen den Beispielen aus Fig. 5 und 6 besteht in der Lage der Zylinder relativ zueinander. Gemäß Fig. 6 liegen die Längsachsen S und S' von Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ parallel, wohingegen im vorherigen Beispiel die Längsachsen S und S' im Wesentli- chen einen rechten Winkel einschließen und somit einen V-Motor bilden. Die parallele Anordnung der Zylinder ermöglicht im Vergleich zu dem vorherigen Beispiel eine noch kürzere Leitungsverbindung L zwischen Verdrängerzylinder VZ und Arbeitszylinder AZ und folglich einen noch kleineren Totraum. Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu den Fig. 3 und 5 verwiesen. Gamma type, which - as regards the function and design of the piston - is very similar to the previous example of FIG. The essential difference between the examples of FIGS. 5 and 6 is the position of the cylinders relative to each other. According to FIG. 6, the longitudinal axes S and S 'of the displacement cylinder VZ and the working cylinder AZ are parallel, whereas in the previous example the longitudinal axes S and S' are essentially parallel. a right angle and thus form a V-engine. The parallel arrangement of the cylinders allows, in comparison to the previous example, an even shorter line connection L between the displacement cylinder VZ and the working cylinder AZ and consequently an even smaller dead space. Incidentally, reference is made to the description of FIGS. 3 and 5.
[0040] Fig. 7 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 6. Der wesentliche Unterschied zwischen den Beispielen aus Fig. 6 und 7 besteht in dem Kurbeltrieb, der gemäß Fig. 7 einen sogenannten Ross-Yoke-Mechamsmus aufweist. Beim Ross-Yoke verbinden die Pleuel 11 und 12 nicht direkt die Kolben mit der Kurbelwelle 10, sondern die den Kolben abgewandten Enden der Pleuel 11 und 12 sind an einer Wippe 14 (Joch, Yoke) angelenkt, welche die oszillierende Bewegung der Kolben auf die Kurbelwelle 10 überträgt. Die Wippe 14 ist zusätzlich über ein weiteres Pleuel 13 an dem Getriebegehäuse gelagert. Ein derartiger Ross-Yoke-Mechamsmus ist an sich bekannt und wird daher nicht näher erläutert. Abgesehen vom Kurbeltrieb ist das Beispiel aus Fig. 7 praktisch gleich aufgebaut wie das Beispiel aus Fig. 6 und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Fig. 7 shows a variant of the example of Fig. 6. The essential difference between the examples of Figs. 6 and 7 is in the crank mechanism, which has a so-called Ross-Yoke-Mechamsmus according to FIG. In the Ross-Yoke, the connecting rods 11 and 12 do not directly connect the pistons with the crankshaft 10, but the ends of the connecting rods 11 and 12 facing away from the pistons are articulated on a rocker 14 (yoke, yoke) which controls the oscillating motion of the pistons on the crankshaft Crankshaft 10 transmits. The rocker 14 is additionally mounted on a further connecting rod 13 to the transmission housing. Such a Ross-Yoke-Mechamsmus is known per se and is therefore not explained in detail. Apart from the crank mechanism, the example of FIG. 7 is practically the same as the example of FIG. 6 and reference is made to the above explanations.
[0041] Fig. 8 zeigt eine Variante des Beispiels aus Fig. 4, wobei vier oder mehr Zylindereinheiten (Arbeitszylinder AZ; Arbeitszylinder AZ') über ein Taumelscheibengetriebe eine Abtriebswelle 10 antreiben. In der in Fig. 8 gezeigten Schnittansicht sind zwei (in Bezug auf das Getriebe) gegenüberliegende angeordnete Zylindereinheiten dargestellt. In diesem Fall wird die„Kurbel" der Welle 10 durch die schräg stehende Taumelscheibe gebildet, an der die Pleuel 11 und 12 angelenkt sind (z.B. mittels sphärischer Lager). Taumelscheibengetriebe sind an sich bekannt und werden deshalb hier nicht weiter erläutert. Fig. 8 shows a variant of the example of Fig. 4, wherein four or more cylinder units (working cylinder AZ, working cylinder AZ ') via a swash plate gear drive an output shaft 10. In the sectional view shown in Fig. 8, two (with respect to the transmission) opposite arranged cylinder units are shown. In this case, the "crank" of the shaft 10 is formed by the inclined swash plate on which the connecting rods 11 and 12 are hinged (e.g., by means of spherical bearings).) Swash plate gears are known per se and therefore will not be further explained here.
[0042] Ähnlich wie in dem Beispiel aus Fig. 2 sind mindestens vier Zylindereinheiten nötig, die eine doppelt wirkende Stirlingmaschine vom Alpha- Typ bilden. Die Box rechts unten in Fig. 8 zeigt eine schematische Draufsicht, in der dargestellt wird, wie ein derartiger Motor aufgebaut sein kann. Jeweils zwei Zylinder AZ und AZ' sind in den Ebenen Ei und E2 angeordnet, wobei die Zylinderlängsachsen in den Ebenen Ei und E2 liegen, die jeweils senkrecht zu einander stehen (was nicht notwendigerweise der Fall sein muss). Ein Zylinder AZ in der ersten Ebene Ei ist (über Erhitzer E, Regenerator R und Kühler K) mit einem korrespondierenden Zylinder AZ in zweiten Ebene E2 verbunden. Dieser ist wiederum mit dem zweiten Zylinder AZ' in der ersten Ebene verbunden, usw. Auf diese Weise wird ein Vierzylindermotor gebildet. Wie erwähnt sind jedoch auch Konstruktionen mit mehr als vier Zylindern möglich. Similar to the example of Fig. 2, at least four cylinder units are necessary to form an alpha-type double-acting Stirling machine. The box at the bottom right in FIG. 8 shows a schematic plan view, in which it is shown how such a motor can be constructed. In each case two cylinders AZ and AZ 'are arranged in the planes Ei and E 2 , wherein the cylinder longitudinal axes lie in the planes Ei and E 2 , which are each perpendicular to each other (which does not necessarily have to be the case). A cylinder AZ in the first level Ei is connected (via heater E, regenerator R and radiator K) to a corresponding cylinder AZ in the second plane E 2 . This in turn is connected to the second cylinder AZ 'in the first plane, etc. In this way, a Four-cylinder engine formed. As mentioned, however, constructions with more than four cylinders are possible.
[0043] Ein Stufenkolben wie er in den obigen Beispielen einer Stirlingmaschine vom Gamma-Typ und vom (doppeltwirkenden) Alpha- Typ beschrieben wurde, lässt sich auch in einer Stirlingmaschine vom Beta- Typ einsetzen. Ein Beispiel einer Beta-Maschine ist in Fig. 9 dargestellt. Ähnlich wie eine Gamma-Maschine (vgl. Fig. 3) weist eine Beta-Maschine einen Verdrängerkolben VK sowie einen Arbeitskolben AK auf. Anders als im Beispiel gemäß Fig. 3 bewegen sich Verdrängerkolben VK und Arbeitskolben AK jedoch im selben Zylinder Z. Der Verdrängerkolben VK ist wie bei der Gamma-Maschine (vgl. Fig. 3) als Stufenkolben ausgebildet, wobei das Pleuel 12, welches den Stufenkolben VK mit der Kurbelwelle 10 verbindet, durch den zweiten Abschnitt S2 des (zumindest teilweise hohlen) Stufenkolbens VK hindurch verläuft und im ersten Abschnitt Si des Stufenkolbens VK angelenkt ist. Die dargestellte Ausgestaltung des Verdrängerkolbens VK ermöglicht die Verwendung eines vergleichsweise langen Pleuels 12 und eine Verbesserung des Lambda- Wertes. Zur Aufnahme der Kolben-Seitenkraft senkrecht zur Mittelachse S des Zylinders Z kann im Bereich des großen Durchmessers D (Abschnitt Si) des Stufenkolbens VK ein Führungselement F (Gleitflächen) vorgesehen sein. In Bezug auf den als Stufenkolben ausgebildeten Verdrängerkolben VK wird im Übrigen auf die Beschreibung zu Fig. 3 verwiesen. A stepped piston as described in the above examples of a gamma-type and (double-acting) alpha-type Stirling machine can also be used in a beta-type Stirling machine. An example of a beta machine is shown in FIG. Similar to a gamma machine (see Fig. 3), a beta machine has a displacer VK and a working piston AK. However, unlike in the example according to Fig. 3, displacement piston VK and working piston AK move in the same cylinder Z. The displacement piston VK is designed as a stepped piston, as in the gamma machine (see Fig. 3), wherein the connecting rod 12, which the stepped piston VK connects to the crankshaft 10, passes through the second portion S 2 of the (at least partially hollow) stepped piston VK and is articulated in the first portion Si of the stepped piston VK. The illustrated embodiment of the displacer VK allows the use of a comparatively long connecting rod 12 and an improvement in the lambda value. For receiving the piston lateral force perpendicular to the central axis S of the cylinder Z, a guide element F (sliding surfaces) can be provided in the region of the large diameter D (section Si) of the stepped piston VK. With regard to the displacer VK embodied as a stepped piston, reference is otherwise made to the description of FIG. 3.
[0044] Der Arbeitskolben AK ist als ringförmiger Kolben (Ringkolben) ausgeführt und bewegt sich koaxial zum Verdrängerkolben VK. Der Außendurchmesser des Ringkolbens AK ist mit DA bezeichnet und der Innendurchmesser des Ringkolbens entspricht (abgesehen vom Kolbenspiel) dem kleinen Durchmesser d des Stufenkolbens VK. Der Abschnitt S2 des Stufenkolbens VK mit dem kleineren Durchmesser d ist durch den Ringkolben AK hindurchgeführt. Die Dichtringe (Kolbenringe) können am Ringkolben AK angeordnet sein, einmal außen dichtend (Dichtung 22a) einmal innen dichtend (Dichtung 22b). Gleichermaßen können die Führungs-Gleitflächen F am Ringkolben AK (innen und außen) angeordnet sein. Andere Gestaltungen sind diesbezüglich aber ebenso möglich, z.B. die Anordnung des Kolbenrings 22b am Stufenkolben VK im Abschnitt S2 oder die Anordnung der Führungs-Gleitflächen F am Zylinder Z. [0045] Wie in Fig. 9 dargestellt ist der als Ringkolben ausgestaltete Arbeitskolben AK über zwei symmetrisch zur Mittelachse S angeordnete Pleuel I Ia, 1 lb mit der Kurbelwelle 10 gekoppelt. Um mehr Platz für die Anlenkung der oberen Enden der Pleuel I Ia, 1 lb zu erhalten, ist der Zylinder Z stufenförmig ausgebildet, was einen größeren Außendurchmesser DA des Ringkolbens AK im Vergleich zum Außendurchmesser D des Abschnitts Si des Stufenkolbens VK erlaubt. Die durch den größeren Außendurchmesser DA gewonnene Kolbenfläche (Ringfläche (ÜA 2-d2)x^4) kann genutzt werden, den Kolbenhub des Arbeitskolbens entsprechend zu verkleinern. Damit kann man bei den Pleueln 1 la, 1 lb, die zwangsläufig kürzer sind als das Pleuel 12, ein ähnlich günstiges Lambda erreichen wie beim Pleuel 12 des Verdrängerkolbens VK. Die Kolbenflächen (Ringflächen) von Stufenkolben (Verdrängerkolben VK) und Ringkolben (Arbeitskolben AK) und die zugehörigen Kolbenhübe können so gewählt werden, dass das Verhältnis der Hubvolumina ca. 1: 1 beträgt. In der Darstellung gemäß Fig. 6 befindet sich der Verdrängerkolben VK ungefähr auf halbem Hub, weshalb an der Kurbelwelle 10 keine Kröpfung sichtbar ist. Wie bei Gamma- Maschinen auch, eilt der Verdrängerkolben VK dem Arbeitskolben AK um etwa 90 Grad (in Bezug auf die Winkel Stellung der Kurbelwelle 10) vor. Die Kurbelwelle 10 ist wie im Beispiel gemäß Fig. 3 im Pufferraum P angeordnet. The working piston AK is designed as an annular piston (ring piston) and moves coaxially to the displacer VK. The outer diameter of the annular piston AK is denoted by D A and the inner diameter of the annular piston corresponds (apart from the piston clearance) to the small diameter d of the stepped piston VK. The section S 2 of the stepped piston VK with the smaller diameter d is passed through the annular piston AK. The sealing rings (piston rings) can be arranged on the annular piston AK, once outside sealing (seal 22a) once inside sealing (seal 22b). Similarly, the guide sliding surfaces F can be arranged on the annular piston AK (inside and outside). However, other designs are also possible in this regard, eg the arrangement of the piston ring 22b on the stepped piston VK in the section S 2 or the arrangement of the guide sliding surfaces F on the cylinder Z. As shown in Fig. 9, designed as an annular piston piston AK is coupled via two symmetrically to the central axis S arranged connecting rod I Ia, 1 lb to the crankshaft 10. In order to obtain more space for the articulation of the upper ends of the connecting rods I Ia, 1 Ib, the cylinder Z is stepped, which allows a larger outer diameter D A of the annular piston AK compared to the outer diameter D of the portion Si of the stepped piston VK. The piston surface obtained by the larger outer diameter D A (annular surface (Ü A 2 -d 2 ) x ^ 4) can be used to correspondingly reduce the piston stroke of the working piston. This can be at the connecting rods 1 la, 1 lb, which are necessarily shorter than the connecting rod 12, a similar favorable lambda reach as the connecting rod 12 of the displacer VK. The piston surfaces (annular surfaces) of stepped pistons (displacer piston VK) and annular piston (working piston AK) and the associated piston strokes can be selected so that the ratio of the stroke volumes is approximately 1: 1. In the illustration according to FIG. 6, the displacement piston VK is located approximately at half the stroke, for which reason no cranking is visible on the crankshaft 10. As with gamma machines too, the displacer VK advances the working piston AK about 90 degrees (in relation to the angular position of the crankshaft 10). The crankshaft 10 is arranged in the buffer space P as in the example according to FIG. 3.
[0046] Fig. 10 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels aus Fig. 3. Die Beispiele aus Fig. 3 und 10 sind funktional und kinematisch äquivalent. Die beiden Beispiele unterscheiden sich lediglich im Aufbau des Verdrängerzylinders VZ und des darin angeordneten Verdrängerkolbens VK, wobei Kolbenhub und Zylindervolumen in beiden Varianten gleich sein können. Gemäß Fig. 10 wird statt eines Stufenkolbens ein etwas anders ausgestalteter Differentialkolben verwendet. Im vorliegenden Beispiel ist der Differentialkolben koaxial zu einem Rohrs R geführt, das in den Innenraum des Verdrängerzylinders VZ (und in den Differenzialkolben) hineinragt. Der Differentialkolben ist (zumindest teilweise) hohl und zwischen dem Rohr R und der Zylinderinnenwand angeordnet, sodass unterhalb des Differentialkolbens zwischen der Mantelfläche des Rohrs R und der Innenfläche des Zylinders ein ringförmiger Zylinderraum (Ringraum) entsteht, wie es auch bei der Verwendung eines Stufenkolbens der Fall wäre. Die in Fig. 10 nicht dargestellte Führung kann am Differentialkolben außen oder an der Zylinderinnenwand angeordnet sein. Das Rohr R ist starr mit dem Motorgehäuse verbunden (z.B. verschraubt) und die Dichtung 20 dichtet den Ringraum (d.h. die kühle Seite C des Verdrängerzylinders VZ) zur Innenseite des Differentialkolbens hin ab, wo der gleiche Druck herrscht wie im Pufferraum P. Die durch das Rohr R verlaufenden Pfeile in Fig. 10 deuten wieder die Möglichkeit einer Gasströmung und eines Druckausgleichs an (analog zu Fig. 5). Die Dichtung 21 muss lediglich eine Leckage verhindern, wie bereits in Bezug auf Fig. 3 erläutert. Das Pleuel 12 ist durch das Rohr R hindurchgeführt und im Inneren des Differentialkolbens VK angelenkt. Damit kann dasselbe günstige Verhältnis von Kurbelradius ΓΚ ZU Pleuellänge lp (Lambda-Wert, siehe Fig. 1) erreicht werden wie in dem Beispiel aus Fig. 3. Im Übrigen wird auf die Erläuterungen zu Fig. 3 verwiesen. Fig. 10 shows a variant of the embodiment of Fig. 3. The examples of Figs. 3 and 10 are functionally and kinematically equivalent. The two examples differ only in the construction of the displacement cylinder VZ and the displacer VK arranged therein, wherein the piston stroke and cylinder volume can be the same in both variants. 10, a slightly differently designed differential piston is used instead of a stepped piston. In the present example, the differential piston is guided coaxially to a tube R, which projects into the interior of the displacement cylinder VZ (and in the differential piston). The differential piston is (at least partially) hollow and disposed between the tube R and the cylinder inner wall, so that below the differential piston between the lateral surface of the tube R and the inner surface of the cylinder, an annular cylinder space (annulus) is formed, as is the case with the use of a stepped piston Case would be. The guide not shown in FIG. 10 may be arranged on the differential piston outside or on the cylinder inner wall. The tube R is rigidly connected to the motor housing (eg screwed) and the seal 20 seals the annulus (ie the cool side C of the displacer VZ) to the inside of the differential piston, where the same pressure prevails as in the buffer space P. The through the Pipe R extending arrows in Fig. 10 indicate again the possibility of gas flow and a pressure equalization (analogous to Fig. 5). The seal 21 only has to prevent leakage, as already explained with reference to FIG. 3. The connecting rod 12 is passed through the tube R and hinged inside the differential piston VK. Thus, the same favorable ratio of crank radius ΓΚ to Pleuellänge l p (lambda value, see Fig. 1) can be achieved as in the example of Fig. 3. Incidentally, reference is made to the explanations to Fig. 3.
[0047] Das Beispiel aus Fig. 11 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 5. Beide Bespiele sind funktional und kinematisch äquivalent. Gemäß Fig. 11 sind Verdrängerzylinder VZ und Verdrängerkolben VK gleich aufgebaut wie im vorherigen Beispiel aus Fig. 10. Diese Konstruktion ersetzt den Stufenkolben aus Fig. 5. Der Arbeitskolben AK ist gemäß Fig. 11 als Ringkolben ausgeführt, der ebenfalls zwischen einem Rohr R', das in den Arbeitskolben AK hinein ragt, angeordnet und zur Mantelfläche eines Rohrs R' hin abgedichtet ist (siehe z.B. Kolbenring 23). Das Rohr R' ist - analog zum Rohr R beim Verdrängerzylinder VZ - starr mit dem Motorgehäuse verbunden und ragt wie erwähnt in den Arbeitszylinder AZ hinein. Wie in Fig. 5 ist der Arbeitskolben AK hohl und erlaubt einen Druckausgleich zwischen dem Pufferraum P und dem Zylinderraum P' an der Stirnseite des Arbeitskolbens AK. Der Dichtring 22 ist im Wesentlichen gleich wie in Fig. 5. Der Dichtring 23 dichtet zwischen Arbeitskolben AK und Rohr R'. The example of Fig. 11 is a modification of the example of Fig. 5. Both examples are functionally and kinematically equivalent. According to FIG. 11, displacement cylinders VZ and displacement pistons VK have the same structure as in the previous example from FIG. 10. This construction replaces the stepped piston from FIG. 5. The working piston AK is designed as an annular piston according to FIG. 11, which is likewise located between a pipe R '. , which projects into the working piston AK, arranged and sealed to the lateral surface of a tube R '(see, for example piston ring 23). The pipe R 'is - analogous to the pipe R in the displacement cylinder VZ - rigidly connected to the motor housing and protrudes as mentioned in the working cylinder AZ inside. As in FIG. 5, the working piston AK is hollow and allows pressure equalization between the buffer space P and the cylinder space P 'on the end face of the working piston AK. The sealing ring 22 is substantially the same as in Fig. 5. The sealing ring 23 seals between the working piston AK and pipe R '.
[0048] Das Beispiel aus Fig. 12 ist eine Modifikation des Beispiels aus Fig. 4, wobei der Stufenkolben aus Fig. 4 durch einen Differentialkolben ersetzt wurde. Arbeitszylinder AZ und Arbeitskolben AK (Differentialkolben) sind im Wesentlichen so aufgebaut wie Verdrängerkolben VK und Verdrängerzylinder in Fig. 11 und es wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Wie bereits in Bezug auf Fig. 4 erläutert, können analog zu dem Beispiel aus Fig. 2 mehrere (z.B. vier) Zylindereinheiten zu einer doppelt- wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha- Typ verbunden werden. The example of Fig. 12 is a modification of the example of Fig. 4, wherein the stepped piston of Fig. 4 has been replaced by a differential piston. Working cylinder AZ and working piston AK (differential piston) are essentially constructed as displacement piston VK and displacement cylinder in Fig. 11 and reference is made to the above explanations. As already explained with reference to Fig. 4, similar to the example of Fig. 2, a plurality (e.g., four) of cylinder units may be combined to form an alpha-type double acting Stirling engine.
[0049] Fig. 13 zeigt ein Beispiel einer Heißgasmaschine, die unter dem Namen Manson- Motor bekannt geworden ist. Da das Arbeitsgas nicht in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert (sondern über ein Ventil eine Verbindung zum Pufferraum oder zur Atmosphäre besteht), ist der dargestellte Manson-Motor genau genommen keine Stirlingmaschine. Der Stufenkolben fungiert gleichermaßen als Verdränger- und Arbeitskolben und ist im vorliegenden Beispiel mit AK bezeichnet. An den oberen und unteren Totpunkten der Kolbenbewegung wird, beispielsweise über eine mechanische Ventilsteuerung, für kurze Zeit ein Ventil V geöffnet, welches den ringförmigen Zylinderraum (zwischen dem schmaleren Abschnitt des Stufenkolbens und der Innenwand des Zylinders AZ) mit dem Umgebungsdruck im Pufferraum P verbindet. Die mechanische Ventilsteuerung kann beispielsweise einen um einen Drehpunkt 40 schwenkbar gelagerten Hebel 41 umfassen, der mittels an der Welle 10 angeordnete Nocken 44a und 44b verkippt wird. Der Hebel 41 überträgt diese Kippbewegung auf den Ventilstößels des Ventils V gegen die Rückstellkraft einer Feder 42. Am unteren Ende des Hebels 41 kann eine Rolle 43 befestigt sein, die an der Welle 10 abrollt. Aufbau und Funktion eines Manson-Motors sind an sich bekannt (z.B. aus den Publikationen DE 199 04 269 AI und GB 2554458 A) und werden daher hier nicht weiter erläutert. Die in Bezug auf die anderen Ausführungsbeispiele erläuterten Vorteile der An- lenkung des Pleuels 12 im Bereich des großen Durchmessers D des Stufenkolbens gelten auch für den Manson-Motor. Fig. 13 shows an example of a hot gas engine, which has become known under the name Manson engine. Since the working gas does not circulate in a closed circuit (but via a valve is a connection to the buffer space or to the atmosphere), the Manson engine shown is actually not a Stirling engine. Of the Stepped piston acts equally as positive displacement and working piston and is referred to in the present example with AK. At the top and bottom dead centers of the piston movement, for example via a mechanical valve control, a valve V is opened for a short time, which connects the annular cylinder space (between the narrower portion of the stepped piston and the inner wall of the cylinder AZ) with the ambient pressure in the buffer space P. The mechanical valve control may, for example, comprise a lever 41 which is mounted pivotably about a pivot point 40 and which is tilted by means of cams 44a and 44b arranged on the shaft 10. The lever 41 transmits this tilting movement to the valve stem of the valve V against the restoring force of a spring 42. At the lower end of the lever 41, a roller 43 may be attached, which rolls on the shaft 10. Structure and function of a Manson motor are known per se (eg from the publications DE 199 04 269 AI and GB 2554458 A) and are therefore not further explained here. The advantages explained in relation to the other exemplary embodiments of the articulation of the connecting rod 12 in the region of the large diameter D of the stepped piston also apply to the Manson motor.
[0050] Bei manchen Konstruktionen von Stirlingmaschinen wird das Getriebe (vgl. Fig. 14, Getrieberaum G) nicht als Pufferraum genutzt, sondern arbeitet unter atmosphärischem Druck. In solchen Fällen muss der Pufferraum (der unter dem Druck des Arbeitsgases steht) gegen den Getrieberaum abgedichtet werden, was mit einer Kolbenstange beispielsweise mittels speziellen Dichtelementen erfolgt. Bewährt hat sich dabei die sog.„Leningrader Dichtung", bei der Dichtelemente mit einer Feder vorgespannt sind. Zwei konisch ausgeführte Scheiben pressen das Dichtelement gegen die Kolbenstange, um die Dichtfunktion einzuleiten. Ein derartiges Dichtelement ist an sich bekannt. In some constructions of Stirling engines, the transmission (see Fig. 14, gear compartment G) is not used as a buffer space, but operates under atmospheric pressure. In such cases, the buffer space (which is under the pressure of the working gas) must be sealed against the gear housing, which is done with a piston rod, for example by means of special sealing elements. The so-called "Leningrad seal", in which sealing elements are preloaded with a spring, has proven to be useful Two conically shaped discs press the sealing element against the piston rod in order to initiate the sealing function Such a sealing element is known per se.
[0051] Ein solches Beispiel ist in Fig. 14 dargestellt. Fig. 14 zeigt eine Kolben-Zylindereinheit einer doppelt wirkenden Stirlingmaschine vom Alpha-Typ. Mehrere dieser Kolben-Zylindereinheiten (z.B. vier wie in dem Beispiel aus Fig. 2) können zu einer doppelt wirkenden Alpha-Maschine gekoppelt werden. Um Bauhöhe einzusparen, ist gemäß dem dargestellten Beispiel ein doppeltwirkender Stufenkolben als Arbeitskolben AK vorgesehen. Der Stufenkolben AK weist wie in den vorherigen Beispielen einen ersten Abschnitt Si mit einem größeren Durchmesser D und einen zweiten Abschnitt S2 mit einem kleineren Durchmesser d auf, wobei der Stufenkolben AK zumindest teilweise (zumindest im Bereich des zweiten Abschnitts S2 mit Durchmesser d) hohl ist. Anders als in dem Beispiel aus Fig. 4 ist jedoch der Stufenkolben AK nicht direkt mit einem Pleuel eines Kurbeltriebs verbunden, sondern weist (wie in dem Beispiel aus Fig. 2) eine Kolbenstange 13 auf. Anders als in dem Beispiel aus Fig. 2 können jedoch die Führungs- und Dichtelemente der Kolbenstange 13 innerhalb des dem Kurbeltrieb zugewandten Kolbenschaftes des Stufenkolbens (Abschnitt S2 mit Außendurchmesser d) angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Kolbenstange 13 z.B. über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle in gleicher oder ähnlicher Weise verbunden sein wie in dem Beispiel aus Fig. 2 (mit den damit verbundenen Nachteilen). Es kann daher besser sein, die Kolbenstange 13 mit einem Ross- Yoke, einem Schiefscheibentriebwerk oder einem Taumelscheibentriebwerk zu koppeln, da diese Getriebearten bauartbedingt kleinere Pleuelauslenkungen aufweisen oder keine Pleuel benötigen. Derartige Getriebe sind z.B. aus den Publikationen GB 2174457 A oder WO 2010/093666 A2 bekannt. Such an example is shown in FIG. Fig. 14 shows a piston-cylinder unit of an alpha-type double acting Stirling engine. Several of these piston-cylinder units (eg four as in the example of Figure 2) may be coupled to a double-acting alpha machine. To save height, a double-acting stepped piston is provided as a working piston AK according to the illustrated example. The stepped piston AK has, as in the previous examples, a first section Si with a larger diameter D and a second section S 2 with a smaller diameter d, wherein the stepped piston AK at least partially (at least in the region of the second section S 2 with diameter d) is hollow. Unlike in the example 4, however, the stepped piston AK is not directly connected to a connecting rod of a crank mechanism, but has (as in the example of FIG. 2) a piston rod 13. Unlike in the example of FIG. 2, however, the guiding and sealing elements of the piston rod 13 can be arranged within the piston stem of the stepped piston facing the crank drive (section S 2 with external diameter d). In this embodiment, the piston rod 13, for example via a connecting rod with a crankshaft in the same or similar manner be connected as in the example of FIG. 2 (with the associated disadvantages). It may therefore be better to couple the piston rod 13 with a Ross yoke, a Schiefscheibentriebwerk or a swashplate engine, as these types of transmissions design-related smaller Pleuelauslenkungen or need no connecting rod. Such transmissions are known, for example, from the publications GB 2174457 A or WO 2010/093666 A2.
[0052] Der dem Kurbeltrieb (z.B. Kurbelwelle 10, vgl. z.B. Fig. 2) zugewandte zweite Abschnitt S2 des Stufenkolbens AK mündet in einem Pufferraum P für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine. Eine Trennwand 33 trennt das Kurbelgehäuse zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G, in dem das Getriebe angeordnet ist (in Fig. 14 nicht dargestellt, vgl. Fig. 7 und 8). Die mit dem Stufenkolben AK verbundene Kolbenstange 13 ist durch eine Öffnung in der Trennwand 33 durchgeführt. Die Dichtung umfasst eine mit der Trennwand 33 starr verbundene Hülse 31, durch die die Kolbenstange 13 hindurch verläuft. Innerhalb der Hülse 31 ist ein ringförmiges Dichtelement 35 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet. Das Dichtelement 35 wird entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 (Zylinderachse S) zwischen zwei konisch ausgebildeten Scheiben 34 geklemmt. Die dafür nötige Vorspannkraft wird von einer Feder 32 erzeugt, die innerhalb der Hülse 31 um die Kolbenstange 13 herum angeordnet sein kann (z.B. im Falle einer Spiralfeder) und die auf die Scheiben 34 eine Kraft entlang der Längsachse S der Kolbenstange 13 ausübt. In den Beispielen gemäß Fig. 2 und 4 erfolgt keine Trennung zwischen Pufferraum P und Getrieberaum G und der Kurbeltrieb ist in dem Pufferraum angeordnet. Das vorliegende Beispiel erlaubt hingegen eine Trennung von Pufferraum P und Getrieberaum G, sodass das Getriebe unter Umgebung sdruck arbeiten kann. Eine Konstruktion gemäß Fig. 2 würde theoretisch keinen Pufferraum benötigen. Bei dem vorliegenden Beispiel gemäß Fig. 5 kann ein separater Pufferraum P von Vorteil sein, da andernfalls der untere Kolbenabschnitt S2 aufgrund seines verdrängten Volumens zu hohe Druckschwingungen und folglich zu hohe Kräfte auf das Gehäuse und die Trennwand 33 erzeugen würde. The second portion S 2 of the stepped piston AK which faces the crank mechanism (eg crankshaft 10, cf., for example, FIG. 2) opens into a buffer space P for the working gas of the Stirling engine. A partition wall 33 separates the crankcase between buffer space P and gear space G, in which the transmission is arranged (not shown in FIG. 14, cf. FIGS. 7 and 8). The piston rod 13 connected to the stepped piston AK is passed through an opening in the partition wall 33. The seal comprises a sleeve 31 rigidly connected to the partition wall 33, through which the piston rod 13 passes. Within the sleeve 31, an annular sealing member 35 is disposed around the piston rod 13 around. The sealing element 35 is clamped along the longitudinal axis S of the piston rod 13 (cylinder axis S) between two conically shaped discs 34. The necessary biasing force is generated by a spring 32, which may be disposed within the sleeve 31 around the piston rod 13 around (eg in the case of a coil spring) and on the discs 34 a force along the longitudinal axis S of the piston rod 13 exerts. In the examples according to FIGS. 2 and 4, there is no separation between buffer space P and gear space G, and the crank drive is arranged in the buffer space. The present example, however, allows a separation of buffer space P and gear room G, so that the transmission can operate under ambient pressure. A construction according to FIG. 2 would theoretically not require any buffer space. In the present example according to FIG. 5, a separate buffer space P may be advantageous since otherwise the lower piston section S 2 would generate too high pressure oscillations and consequently too high forces on the housing and the partition 33 due to its displaced volume.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: CLAIMS:
1. Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist: 1. A hot gas engine comprising:
ein Getriebe (10) mit einem Pleuel (12);  a transmission (10) with a connecting rod (12);
einen in einem Zylinder (VZ; AZ; Z) angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben (VK; AK), der einen ersten Abschnitt mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist,  a double-acting step piston (VK; AK) arranged in a cylinder (VZ; AZ; Z), which has a first section with a larger diameter (D) and a second section with a smaller diameter (d),
wobei der Stufenkolben (VK; AK) zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel (12) innen durch den zweiten Abschnitt (S2) hindurch verläuft und im ersten Abschnitt (Si) des Stufenkolbens (VK; AK) angelenkt ist. wherein the stepped piston (VK; AK) is at least partially hollow, and the connecting rod (12) extends inside through the second section (S 2 ) and is articulated in the first section (Si) of the stepped piston (VK; AK).
2. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 1, 2. The hot gas machine according to claim 1,
wobei der Stufenkolben (VK; AK) sowohl im ersten Abschnitt (Si) als auch im zweiten Abschnitt (S2) Gleitflächen aufweist, die auf der Zylinderoberfläche gleiten.  wherein the stepped piston (VK; AK) has sliding surfaces which slide on the cylinder surface both in the first section (Si) and in the second section (S2).
3. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, 3. The hot gas machine according to claim 1 or 2,
wobei der Zylinder (VZ; AZ; Z) Führungselemente (F) aufweist, die im ersten Abschnitt (Si) und im zweiten Abschnitts (S2) des Stufenkolbens (VK; AK) auf der Kolbenoberfläche gleiten. wherein the cylinder (VZ; AZ; Z) has guide elements (F) which slide in the first section (Si) and in the second section (S 2 ) of the stepped piston (VK; AK) on the piston surface.
4. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. The hot gas machine according to one of claims 1 to 3,
wobei der Stufenkolben (VK; AK) sowohl im ersten Abschnitt (Si) als auch im zweiten Abschnitts (S2) Dichtringe (20, 21) aufweist. wherein the stepped piston (VK; AK) has sealing rings (20, 21) both in the first section (Si) and in the second section (S 2 ).
5. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. The hot gas machine according to one of claims 1 to 4,
wobei das Pleuel (12) im Stufenkolben (VK; AK) mittels eines Gleitlagers oder eines Wälzlagers oder mittels eines sphärischen Gelenklagers angelenkt ist.  wherein the connecting rod (12) in the stepped piston (VK, AK) is articulated by means of a sliding bearing or a roller bearing or by means of a spherical hinge bearing.
6. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. The hot gas machine according to one of claims 1 to 5,
wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S2) des Stufenkolbens (VK; AK) in einem Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine mündet. wherein the transmission facing the second portion (S 2 ) of the stepped piston (VK, AK) opens in a buffer space (P) for the working gas of the Stirling engine.
7. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 6, 7. The hot gas engine according to claim 6,
wobei das Getriebe (10) in dem Pufferraum (P) angeordnet ist.  wherein the transmission (10) is arranged in the buffer space (P).
8. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. The hot gas machine according to one of claims 1 to 7,
wobei die Stirlingmaschine eine doppeltwirkende Stirlingmaschine vom Alpha-Typ oder eine Stirlingmaschine vom Beta- oder Gamma-Typ ist und  wherein the Stirling engine is a double-acting Alpha-type Stirling engine or a beta or gamma-type Stirling engine, and
wobei das zwischen Zylinder (VZ; AZ) und dem zweiten Abschnitt (S2) befindliche Ringvolumen im Betrieb mit gekühltem Arbeitsgas gefüllt ist. wherein the ring volume between cylinder (VZ; AZ) and the second portion (S 2 ) is filled in operation with cooled working gas.
9. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, 9. The hot gas machine according to one of claims 1 to 7,
wobei die Stirlingmaschine eine Stirlingmaschine vom Beta-Typ ist und einen in dem Zylinder (Z) angeordneten Ringkolben (AK) aufweist, durch den der zweite Abschnitt (S2) des Stufenkolbens (VK) hindurchgeführt ist.  wherein the Stirling engine is a Beta-type Stirling engine and has an annular piston (AK) disposed in the cylinder (Z) through which the second portion (S2) of the stepped piston (VK) passes.
10. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 9, 10. The hot gas machine according to claim 9,
wobei das Getriebe (10) zwei weitere Pleuel (I Ia, I Ib) aufweist, welche an dem Ringkolben (AK) symmetrisch zur Kolbenlängsachse (S) angelenkt sind.  wherein the transmission (10) has two further connecting rods (I Ia, I Ib), which are articulated on the annular piston (AK) symmetrically to the piston longitudinal axis (S).
11. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 9 oder 10, 11. The hot gas machine according to claim 9 or 10,
wobei der Zylinder (Z) als Stufenzylinder ausgebildet ist, der einen ersten Abschnitt mit kleinerem Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit größerem Durchmesser DA) aufweist, und wherein the cylinder (Z) is formed as a stepped cylinder having a first portion of smaller diameter (D) and a second portion of larger diameter D A ), and
wobei der Ringkolben (AK) in dem zweiten Abschnitt des Zylinders (Z) angeordnet ist.  wherein the annular piston (AK) in the second portion of the cylinder (Z) is arranged.
12. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiter aufweist; 12. The hot gas engine according to one of claims 1 to 7, further comprising;
einen in einem weiteren Zylinder (AZ) angeordneten weiteren Kolben (AK), der mittels eines weiteren Pleuels (11) mit dem Getriebe gekoppelt ist.  a in another cylinder (AZ) arranged further piston (AK), which is coupled by means of another connecting rod (11) with the transmission.
13. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 12, 13. The hot gas engine according to claim 12,
wobei der Stufenkolben ein Verdrängerkolben (VK) und der weitere Kolben ein Arbeitskolben (AK) ist, der ebenfalls als Stufenkolben oder als Ringkolben ausgebildet ist. wherein the stepped piston is a displacement piston (VK) and the other piston is a working piston (AK), which is also designed as a stepped piston or as an annular piston.
14. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 12 oder 13, 14. The hot gas machine according to claim 12 or 13,
wobei sowohl in dem Zylinder (VZ) als auch in dem weiteren Zylinder (AZ) jeweils ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, und  wherein in each of the cylinder (VZ) and in the further cylinder (AZ) in each case an annular cylinder space is formed, and
wobei der ringförmige Zylinderraum des Zylinders (VZ) und ringförmige Zylinderraum des weiteren Zylinders (AZ) über eine Leitung verbunden sind.  wherein the annular cylinder space of the cylinder (VZ) and annular cylinder space of the further cylinder (AZ) are connected via a line.
15. Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist: 15. A hot gas engine comprising:
ein Getriebe (10) mit einem Pleuel (12);  a transmission (10) with a connecting rod (12);
einen Zylinder (VZ; AZ; Z); und  a cylinder (VZ; AZ; Z); and
ein in dem Zylinder (VZ; AZ; Z) angeordneter Differentialkolben (VK; AK), wobei Zylinder (VZ; AZ; Z) und Differentialkolben (VK; AK) so ausgestaltet sind, dass in dem Zylinder ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird,  a differential piston (VK; AK) arranged in the cylinder (VZ; AZ; Z), wherein cylinders (VZ; AZ; Z) and differential pistons (VK; AK) are designed such that an annular cylinder space is formed in the cylinder,
wobei der Differentialkolben (VK; AK) zumindest teilweise hohl ist, und das Pleuel (12) im Inneren des Differentialkolbens (VK; AK) an einer Position angelenkt ist, sodass der ringförmige Zylinderraum um das Pleuel (12) herum verläuft.  wherein the differential piston (VK; AK) is at least partially hollow, and the connecting rod (12) in the interior of the differential piston (VK; AK) is articulated at a position such that the annular cylinder space extends around the connecting rod (12).
16. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 15, 16. The hot gas engine according to claim 15,
wobei der Differentialkolben (VK; AK) ein Stufenkolben ist, der einen ersten Abschnitt (Si) mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt (S2) mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist, und wherein the differential piston (VK; AK) is a stepped piston having a first portion (Si) with a larger diameter (D) and a second portion (S 2 ) with a smaller diameter (d), and
wobei der ringförmige Zylinderraum zwischen dem zweiten Abschnitt (S2) des Stufenkolbens und einer Innenwand des Zylinders (VZ; AZ) gebildet wird. wherein the annular cylinder space between the second portion (S 2 ) of the stepped piston and an inner wall of the cylinder (VZ, AZ) is formed.
17. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 16, 17. The hot gas engine according to claim 16,
wobei das Pleuel (12) innen durch den zweiten Abschnitt (S2) des Stufenkolbens hindurch verläuft und im ersten Abschnitt (Si) des Stufenkolbens (VK; AK) angelenkt ist. wherein the connecting rod (12) extends inside through the second portion (S 2 ) of the stepped piston and in the first portion (Si) of the stepped piston (VK; AK) is articulated.
18. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 15, das weiter aufweist: 18. The hot gas engine according to claim 15, further comprising:
ein Rohr (R, R'), das in den Zylinder (VZ; AZ) hineinragt, wobei ein Ende des Differentialkolben (VK; AK) zwischen dem Rohr (R, R') und einer Innenwand des Zylinders (VZ; AZ) angeordnet ist.  a pipe (R, R ') protruding into the cylinder (VZ; AZ), one end of the differential piston (VK; AK) being interposed between the pipe (R, R') and an inner wall of the cylinder (VZ; AZ) is.
19. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 18, wobei das Rohr (R, R') soweit in den Zylinder (VZ; AZ) hineinragt, dass es auch ins Innere des Differentialkolbens (VK; AK) hineinragt, wenn dieser an seinem oberen Totpunkt ist. 19. The hot gas engine according to claim 18, wherein the tube (R, R ') extends so far into the cylinder (VZ, AZ) that it also projects into the interior of the differential piston (VK, AK) when it is at its top dead center.
20. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 18 oder 19, 20. The hot gas machine according to claim 18 or 19,
wobei Rohr (R, R'), Differentialkolben (VK; AK) und Zylinder (VZ; AZ) koaxial zueinander angeordnet sind.  wherein tube (R, R '), differential piston (VK; AK) and cylinder (VZ; AZ) are arranged coaxially with each other.
21. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, 21. The hot gas engine according to any one of claims 18 to 20,
wobei das Rohr (R, R') relativ zum Zylinder (VZ; AZ) unbeweglich ist.  wherein the tube (R, R ') is immovable relative to the cylinder (VZ; AZ).
22. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, 22. The hot gas engine according to any one of claims 18 to 21,
wobei zwischen dem Rohr (R, R') und einer Innenwand des Differentialkolbens (VK; AK) ein Dichtring (20) angeordnet ist.  wherein between the tube (R, R ') and an inner wall of the differential piston (VK; AK), a sealing ring (20) is arranged.
23. Die Heißgasmaschine gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, die weiter aufweist: 23. The hot gas machine according to claim 15, further comprising:
einen in einem weiteren Zylinder (AZ) angeordneten weiteren Kolben (AK), der mittels eines weiteren Pleuels (11) mit dem Getriebe gekoppelt ist.  a in another cylinder (AZ) arranged further piston (AK), which is coupled by means of another connecting rod (11) with the transmission.
24. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 23, 24. The hot gas engine according to claim 23,
wobei sowohl in dem Zylinder (VZ) als auch in dem weiteren Zylinder (AZ) jeweils ein ringförmiger Zylinderraum gebildet wird, und  wherein in each of the cylinder (VZ) and in the further cylinder (AZ) in each case an annular cylinder space is formed, and
wobei der ringförmige Zylinderraum des Zylinders (VZ) und ringförmige Zylinderraum des weiteren Zylinders (AZ) über eine Leitung (L) verbunden sind.  wherein the annular cylinder space of the cylinder (VZ) and annular cylinder space of the further cylinder (AZ) via a line (L) are connected.
25. Eine Heißgasmaschine, die folgendes aufweist: 25. A hot gas engine comprising:
ein Getriebe (10) das in einem Getrieberaum (G) angeordnet ist, in dem Umgebung sdruck herrscht;  a transmission (10) disposed in a gear room (G) in which ambient pressure prevails;
einen in einem Zylinder (AZ) angeordneten doppeltwirkenden Stufenkolben (AK), der einen ersten Abschnitt mit einen größeren Durchmesser (D) und einen zweiten Abschnitt mit einem kleineren Durchmesser (d) aufweist,  a double-acting step piston (AK) arranged in a cylinder (AZ), which has a first section with a larger diameter (D) and a second section with a smaller diameter (d),
wobei der Stufenkolben (AK) zumindest teilweise hohl ist und im inneren eine Kolbenstange (13) aufweist, die mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist; wobei der dem Getriebe zugewandte zweite Abschnitt (S2) des Stufenkolbens (AK) in einen Pufferraum (P) für das Arbeitsgas der Stirlingmaschine mündet; wherein the stepped piston (AK) is at least partially hollow and in the interior has a piston rod (13) which is mechanically coupled to the transmission; wherein the transmission facing the second portion (S 2 ) of the stepped piston (AK) opens into a buffer space (P) for the working gas of the Stirling engine;
und and
wobei im Inneren des Stufenkolbens (AK) zumindest ein Teil einer Dichtungsvorrichtung angeordnet ist, welche eine Durchführung der Kolbenstange (13) zwischen Pufferraum (P) und Getrieberaum (G) abdichtet.  wherein inside the stepped piston (AK) at least a part of a sealing device is arranged, which seals a passage of the piston rod (13) between the buffer space (P) and gear chamber (G).
26. Die Heißgasmaschine gemäß Anspruch 26, 26. The hot gas machine according to claim 26,
wobei die Dichtung eine Hülse (31) aufweist, in der eine Feder (3) angeordnet ist, die auf ein zwischen Hülse (31) und Kolbenstange (13) angeordnetes Dichtelement (35) drückt.  wherein the seal comprises a sleeve (31) in which a spring (3) is arranged which presses on a between the sleeve (31) and the piston rod (13) arranged sealing element (35).
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