WO2009049794A2 - Wärmekraftmaschine - Google Patents

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines

Definitions

  • the invention relates to a heat engine, in which four right angles, or mutually perpendicular oscillating piston in the four cylinders are arranged.
  • the invention finds application in the stationary sector, preferably in order to generate decentralized power and heat using renewable resources in the context of cogeneration.
  • DE 10 2006 01299 discloses the solution of a Stirling engine which is used for cogeneration of renewable raw materials. Furthermore, with EP 1455117 a further solution of a Stirling engine is known which places high demands on the quality of the fuel materials. Furthermore, very high temperatures must be achieved at the heater head in the previously known Stirling engines to ensure economic heat recovery, but this limits the type of fuel and material problems.
  • the invention therefore has the object to provide a heat engine in which by the piston and cylinder a very large area for the absorption of heat is present, at the same time the number of moving parts is kept to a minimum.
  • the solution according to the invention is intended to be usable, inter alia, also for the low and medium temperature range and to impose few requirements on the quality of the fuels.
  • an engine in which four cylinders are arranged in the form of conic sections each at right angles to each other about a crankshaft lying in the middle.
  • a small conical cutout is provided, which takes over the function of the piston of a conventional internal combustion engine.
  • the to the middle too lying side of the cylinder is provided for receiving heat, which takes place by combustion outside, or by supplying hot gases.
  • the opposite side is used for cooling by cooling liquid. Due to the arrangement shown, each result in a chamber on the hot side, which is responsible for the compression of the air and the absorption of heat, thereby absorbing power and a chamber on the opposite side, which is responsible for the cooling and the displacement of the cooled air is.
  • each cylinder On the sides of each cylinder a plurality of openings are arranged, which are connected as channels with the next cylinder.
  • the individual channels are designed such that in each case the heated chamber with the cooling chamber and the cooling chamber is connected to the chamber to be heated.
  • the force occurring in this case is guided by a pin, which is arranged above on the piston, through a slot in the cylinder, and project by means of a connecting rod to the crankshaft.
  • FIG. 2 section A - A
  • An engine consists of the four cylinders I, II, III, IV, which are connected by the connecting rod 6 with a pin 5, which is guided in a slot 15 with the crankshaft 1.
  • the four cylinders I, II, II, IV are at right angles to each other, wherein plate-shaped cylinder / piston side walls 3, the front and rear of the each cylinder I, II, III, IV limit.
  • the lateral conclusion of the cylinders I, II, III, IV form circular sectors 2, in which exhaust ports 10 of the displacement chamber 18, namely the cold side, or inlet openings 14 of the displacement chamber 18, as the warm side and exhaust openings 13 for the compression chamber 17 and supply air 14 for the displacement chamber 18, are incorporated.
  • the individual cylinders I, II, III, IV are covered by the upper cylinder end 4 in the form of a circular arc, which is preferably made of steel and equipped with a slot 15, for guiding the pin 5, which causes the power transmission from the piston to the connecting rod 6 ,
  • the cylinders I, II, III and IV are connected by an insulated plate 7 in which the crankshaft 1 is also mounted.
  • a surface 8 between the individual cylinders I, II, III, IV forms a triangle in each case and is also designed to be insulated and closed.
  • pistons of the same type are arranged in the form of a conical section, which rest with the piston bearing 16 in the cylinder.
  • the piston bearing 16 consists of a tip on which the cylinders I, II, III, IV rest.
  • the piston bearing 16 is preferably designed as a shaft or sliding bearing, whereby the possibility of cooling by means of bore in the piston bearing 16 is. Coolant can thus be directed to the cold side in the direction of the displacement chamber 18, whereby the piston is cooled.
  • At the upper piston end 19 each have a pin 5 is arranged for transmitting power from the piston to the connecting rod 6.
  • each cylinder I, II, III, IV results in a chamber for the compression and heating of the air, namely the compression chamber 17 and a chamber for cooling and displacing the air, namely displacement chamber 18.
  • the movement is generated by the interior 9 between the cylinders I, II, III, IV hot gas is supplied, or a combustion in the interior 9 takes place.
  • channels 12 the individual cylinders I, II, III, IV are interconnected.
  • the heating in the space 9 causes the plate-shaped cylinder / piston walls 3 are heated on the sides facing the displacement chambers 18, the gas expands in the compression chamber 17, while exerting force on the piston.
  • the plates as well as the gas in the displacement chamber 18 are cooled.
  • the gas exchange takes place in that the exhaust air openings 10 of the cold side in the circular sectors 2, with supply air openings 11 of the compression chamber 17 of the hot side are connected to channels 12 at the right-hand adjacent cylinder.
  • the exhaust ports 13 of the hot side compression chamber 17 are connected to the supply air openings 14 of the cold side displacement chamber 18, the gas flow being directed in this direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, in welcher vier im Rechten Winkel zueinander stehende Schwingkolben in vier Zylindern angeordnet sind. Die Kolben wie auch die Zylinder sind keilförmig ausgebildet und besitzen die Form eines Kegelabschnittes. Dabei stehen die Kolben mit ihrer unteren Spitze auf einem Kolbenlager. Die vier Zylinder sind mittels Kanälen miteinander verbunden. Verdichtungskammer zur Verdrängungskammer sowie Verdrängungskammer zur Verdichtungskammer. Die Kurbelumdrehung erfolgt bei der Arbeitsweise entgegen der Gasströmung. Die Anwendung der Erfindung erfolgt im stationären Bereich, vorzugsweise um unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe im Rahmen der Kraftwärmekopplung dezentral Strom und Wärme zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine soll unter anderem auch für den niedrigen und mittleren Temperaturbereich einsetzbar sein sowie wenig Anforderungen an die Qualität der Brennstoffe stellen.

Description

Wärmekraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine, in welcher vier im Rechten Winkel, beziehungsweise rechtwinklig zueinander stehende Schwingkolben in den vier Zylindern angeordnet sind. Die Erfindung findet Anwendung im stationären Bereich, vorzugsweise, um unter Verwendung nachwachsender Rohstoffe im Rahmen der Kraftwärmekopplung dezentral Strom und Wärme zu erzeugen.
Der überwiegende Teil bekannten Wärmekraftmaschinen beruht darauf, dass die Verbrennung im Inneren eines Zylinders geschieht, wie beispielsweise in den Ottomotoren und auch in den Dieselmotoren. Damit werden jedoch eine Vielzahl von brennbaren Stoffen ausgeschlossen und damit vorhandene Ressourcen nicht genutzt. Bei der Verbrennung anderer Materialien gibt es Dampfmotoren, Dampfturbinen welche jedoch nur in größerem Maßstab realisierbar und für die dezentrale Energieversorgung dadurch ungeeignet sind. Ein weiterer Motortyp ist mit dem Stirlingmotor bekannt, bei welchen die Verbrennung außerhalb des Zylinders erfolgt. Stirlingmotoren sind grundsätzlich für eine große Anzahl unterschiedlicher Brennstoffe geeignet.
So ist mit der DE 10 2006 01299 die Lösung eines Stirling- motors bekannt, welcher für die Kraftwärmekopplung für nachwachsende Rohstoffe Anwendung findet. Weiterhin ist mit der EP 1455117 eine weitere Lösung eines Stirlingmotors bekannt, welcher hohe Anforderungen an die Qualität der Brennmaterialien stellt. Ferner müssen bei den bisher bekannten Stirlingmotoren sehr hohe Temperaturen am Erhitzerkopf erzielt werden, um eine wirtschaftliche Wärmeverwertung zu gewährleisten, was aber die Art des Brennstoffes einschränkt und Materialprobleme bereitet.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Wärmekraftmaschine zu schaffen, bei welcher durch die Kolben und Zylinder eine sehr große Fläche für die Aufnahme der Wärme vorhanden ist, wobei gleichzeitig die Anzahl der beweglichen Teile auf ein Minimum beschränkt wird. Die erfindungsgemäße Lösung soll unter anderem auch für den niedrigen und den mittleren Temperaturbereich einsetzbar sein sowie wenige Anforderungen an die Qualität der Brennstoffe stellen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Motor zugrunde gelegt, bei welchem vier Zylinder in Form von Kegelausschnitten jeweils im Rechten Winkel zueinander um eine in der Mitte liegende Kurbelwelle angeordnet sind. In den vier Zylindern ist wiederum ein kleiner Kegelausschnitt vorgesehen, welcher die Funktion des Kolbens einer herkömmlichen Verbrennungsmaschine übernimmt. Die zur Mitte zu liegende Seite des Zylinders ist zur Aufnahme von Wärme vorgesehen, welche durch Verbrennung die außerhalb stattfindet, beziehungsweise durch das Zuführen heißer Gase erfolgt. Die gegenüberliegende Seite dient der Kühlung durch Kühlflüssigkeit. Durch die aufgezeigte Anordnung ergeben sich jeweils eine Kammer an der heißen Seite, welche für die Verdichtung der Luft sowie die Aufnahme von Wärme, und dadurch Kraftaufnahme zuständig ist sowie eine Kammer auf der gegenüberliegenden Seite, welche für die Abkühlung und die Verdrängung der abgekühlten Luft zuständig ist. An den Seiten jeden Zylinders sind mehrere Öffnungen angeordnet, welche als Kanäle mit dem jeweils nächsten Zylinder verbunden sind. Die einzelnen Kanäle sind dabei derart ausgebildet, indem jeweils die erhitzte Kammer mit der kühlenden Kammer sowie die kühlende Kammer mit der zu erhitzenden Kammer verbunden ist. Die dabei auftretende Kraft wird mittels eines Stiftes, welcher oberhalb auf dem Kolben angeordnet ist, durch einen Schlitz im Zylinder geführt, und mittels eines Pleuels zur Kurbelwelle überragen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Figur 1: Draufsicht auf den Motor
Figur 2: Schnitt A - A
Ein Motor besteht aus den vier Zylindern I, II, III, IV, welche durch die Pleuel 6 mit einem Stift 5, welcher in einem Schlitz 15 geführt wird, mit der Kurbelwelle 1 verbunden sind. Die vier Zylinder I, II, II, IV stehen im Rechten Winkel zueinander, wobei plattenförmige Zylinder-/ Kolbenseitenwände 3 die Vorder-, beziehungsweise Rückseite des jeweiligen Zylinders I, II, III, IV begrenzen. Den seitlichen Abschluss der Zylinder I, II, III, IV, bilden Kreissektoren 2, in welchen Abluftöffnungen 10 der Verdrängungskammer 18, nämlich der kalten Seite, beziehungsweise Zuluftöffnungen 14 der Verdrängungskammer 18, als der warmen Seite sowie Abluftöffnungen 13 für die Verdichtungskammer 17 und Zuluftöffnungen 14 für die Verdrängungskammer 18, eingearbeitet sind.
Abgedeckt werden die einzelnen Zylinder I, II, III, IV durch den oberen Zylinderabschluss 4 in Form eines Kreisbogens, welcher vorzugsweise aus Stahl gefertigt und mit einem Schlitz 15 ausgestattet ist, zur Führung des Stiftes 5, welcher die Kraftübertragung vom Kolben zum Pleuel 6 bewirkt. Verbunden sind die Zylinder I, II, III und IV durch eine isolierte Platte 7, in welcher auch die Kurbelwelle 1 gelagert ist. Eine Fläche 8 zwischen den einzelnen Zylindern I, II, III, IV bildet jeweils ein Dreieck und ist ebenfalls isoliert ausgeführt sowie geschlossen.
In den Zylindern I, II, III, IV sind Kolben gleicher Bauart in der Form eines Kegelausschnittes angeordnet, welche mit dem Kolbenlager 16 im Zylinder aufliegen. Vereinfacht besteht das Kolbenlager 16 aus einer Spitze, auf welcher die Zylinder I, II, III, IV aufliegen. Das Kolbenlager 16 ist vorzugsweise als Wellen-, beziehungsweise Gleitlager ausgeführt, wodurch die Möglichkeit der Kühlung mittels Bohrung im Kolbenlager 16 besteht. Kühlflüssigkeit kann so zur kalten Seite in Richtung Verdrängungskammer 18 geleitet werden, wodurch der Kolben gekühlt wird. Am oberen Kolbenabschluss 19 ist jeweils ein Stift 5 zur Kraftübertragung vom Kolben zum Pleuel 6 angeordnet. Erfindungsgemäß ergeben sich bei diesem Aufbau pro Zylinder I, II, III, IV jeweils eine Kammer für die Verdichtung und Erwärmung der Luft, nämlich Verdichtungskammer 17 sowie eine Kammer zur Abkühlung und zum Verdrängen der Luft, nämlich Verdrängungskammer 18. Die Bewegung wird erzeugt, indem dem Innenraum 9 zwischen den Zylindern I, II, III, IV heißes Gas zugeführt wird, beziehungsweise eine Verbrennung im Innenraum 9 stattfindet. Durch Kanäle 12 werden die einzelnen Zylinder I, II, III, IV miteinander verbunden.
Die Erhitzung im Raum 9 bewirkt, dass die plattenförmigen Zylinder-/ Kolbenwände 3 auf der den Verdrängungskammern 18 zugewandten Seiten erhitzt werden, sich das Gas in der Verdichtungskammer 17 ausdehnt, und dabei Kraft auf den Kolben ausübt. Auf der gegenüberliegenden Seite werden die Platten sowie das Gas in der Verdrängungskammer 18 gekühlt. Der Gasaustausch erfolgt, indem die Abluftöffnungen 10 der kalten Seite in den Kreissektoren 2, mit Zuluftöffnungen 11 der Verdichtungskammer 17 der warmen Seite beim rechtwinklig anliegenden nächsten Zylinder mit Kanälen 12 verbunden sind. Gleichfalls sind die Abluftöffnungen 13 der Verdichtungskammer 17 der warmen Seite mit den Zuluftöffnungen 14 der Verdrängungskammer 18 der kalten Seite verbunden, wobei der Gasstrom in diese Richtung geleitet wird. Um den Gasaustausch nur in eine Richtung zu gewährleisten, sind die Abluftöffnungen 10 der Verdrängungskammer 18 und die Zuluftöffnungen 14 der Verdrängungskammer 18 größer ausgebildet als die Zuluftöffnung 11 der Verdichtungskammer 17, und die Abluftöffnungen 13 der Verdichtungskammer 17. Aus der vorgenannten Abfolge der einzelnen Arbeitsschritte ergeben sich nachfolgende Phasen:
Kurbelumdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn; Gasströmung im Uhrzeigersinn
Beginn Kurbelstellung 12 Uhr
Figure imgf000008_0001
90 Grad Drehung - Kurbelstellung 9 Uhr
Figure imgf000008_0002
90 Grad Drehung - Kurbelstellung 6 Uhr
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90 Grad Drehung - Kurbelstellung 3 Uhr
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Claims

Patentansprüche:
1. Wärmekraftmaschine zur Strom- und Wärmeerzeugung dadurch gekennzeichnet, dass diese aus vier keilförmig ausgebildeten Zylindern (I, II, III, IV) besteht, welche im Rechten Winkel zueinander angeordnet sind, welche durch eine zentral angeordnete Kurbelwelle (1) über Pleuel (6) sowie einen Stift (5) zur Kraftübertragung bedient werden, wobei die keilförmigen Zylinder (I, II, III, IV) mit Verdichtungskammern (17) und einer zugehöriger Zuluftöffnung (11) sowie einer zugehörigen Abluftöffnung (13) für die warme Seite ausgestattet sind sowie Verdrängungskammern (18) ausgestattet sind, welche ihrerseits mit einer Zuluftöffnung (14) und einer Abluftöffnung (10) für die kalte Seite der Wärmekraftmaschine versehen sind.
2. Wärmekraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (3) der Zylinder-, beziehungsweise Kolben einen Kreissektor (2) als seitlichen Abschluss bilden und der obere Zylinderabschluss (4) kreisbogenförmig nach oben abgedichtet, ausgeführt ist.
3. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) in einer isolierten Platte
(7) geführt wird, welche als Verbindung zu den Zylindern (I, II, III, IV) ausgestaltet ist und eine ebenfalls isolierte untere Fläche
(8) zwischen den Zylindern (I, II, III, IV) ein Dreieck bildet, um die Wärmekraftmaschine nach untern hin abzuschließen.
4. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (12) die Abliftöfffnung (10) der Verdrängungskammer (18) mit der Zuluftöffnung (11) der Verdichtungskammer (17) sowie Abluftöffnung (13) der Verdichtungskammer (17) mit der Zuluftkammer (14) der Verdrängungskammer (18) verbinden.
5. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schlitz (15) der Stift (5) zur Kraftübertragung vom Kolben zum Pleuel (6) geführt wird.
6. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenlager (16) als Schwenklager dient, welches in den Zylindern (I, II, III, IV) unten aufliegt und vorzugsweise als Gleitlager mit durchströmender Kühlflüssigkeit ausgestaltet ist.
7. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zylindern (I, II, III, IV) ein freier Innenraum (9) gebildet wird.
8. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die isolierte Platte (7) als obere Zylinderabdeckung der Zylinder (I, II, III, IV) vorzugsweise aus Stahl besteht.
9. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (1) in der Platte (7) gelagert ist.
10. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der obere Zylinderabschluss (4) kreisbogenförmig entsprechend der Schwenkbewegung des Kolbens ausgeführt ist.
11. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenlager (16) in den Zylindern (I, II, III, IV) vorzugsweise als Wellenlager mit einer Bohrung für Kühlflüssigkeit ausgestattet ist.
12. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass in dieser der Gasaustausch erfolgt, indem die Abluftöffnungen (10) der kalten Seite in den Kreissektor (2), mit Zuluftöffnungen (11) der Verdichtungskammer (17) der warmen Seite, beim rechtwinklig anliegenden nächsten Zylinder (I, II, III oder IV) mit Kanälen (12) verbunden sind.
13. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftöffnungen (13) der Verdichtungskammer (17) der warmen Seite, mit den Zuluftöffnungen (14) der Verdrängungskammer (18) der kalten Seite verbunden sind, wobei der Gasstrom in diese Richtung geleitet wird.
14. Wärmekraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung des Gasaustausches nur in eine Richtung die Abluftöffnungen (10) der Verdrängungskammer (18) und die Zuluftöffnungen (14) der Verdrängungskammer (18) größer ausgebildet sind als die Zuluftöffnung (11) der Verdrängungskammer (18) und die Abluftöffnungen (13) der Verdichtungskammer (17).
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