WO2009138056A1 - Heissgasmotor nach dem stirlingprinzip - Google Patents

Heissgasmotor nach dem stirlingprinzip Download PDF

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    • F02G2244/02—Single-acting two piston engines
    • F02G2244/06—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type

Definitions

  • the invention relates to a hot gas engine according to the Stirling principle with at least two located in separate cylinders, by a control movement coupled to each other pistons, of which at least one is performed in a coolable compression cylinder as a displacer and a heated in a working cylinder as a working piston and between the cylinders one or more gas channels are provided for the hot gas.
  • the pistons are guided directly in the cylinder. Since high temperatures occur at least in the hot working cylinder, on the one hand no oil lubrication can be used and on the other hand very high quality materials must be used. In the required close game between piston and cylinder, the cylinder tend on the one hand by warping to jamming and in the seals located predominantly on the upper part of the pistons can often lead to sealing losses in the non-lubricated high-temperature range, so that the efficiency drops considerably in a relatively short time. As a remedy, guides have already been provided for the pistons outside the cylinders, but this results in larger weights, which in turn adversely affect the efficiency of the engine.
  • the cylinder and the piston on ring sections, the pistons pivot without contact in the cylinders and the outstanding from the cylinders or with these final piston ends Swing arms or the like. are guided on an outside of the cylinder between these arranged central axis or central axes.
  • the pistons are guided on an outside of the cylinder between these arranged central axis or central axes.
  • Serving for guiding pivot arms can be performed very easily, so that overall results in very low weight and you can achieve a very smooth running. If the piston ends are guided via pivot arms or the like onto two center axes arranged outside the cylinders between them, the pistons are further spaced from one another, whereby an improved ability to cushion the cylinders is provided.
  • piston pins are dispensed with and it is therefore possible to attach seals to the inlet side of the cylinders, ie opposite to the side exposed to temperature, so that they are only exposed to relatively low temperatures.
  • the cross sections of the pistons can be round or square.
  • the pistons each have a NEN swivel arm with storage and the piston ends or the pivot arms are connected via connecting rods with a flywheel.
  • this consists of two opposite, connected via gas ducts cylinders with pistons, of which one pair are each designed as a heatable working cylinder and the opposite pair as a coolable displacement cylinder.
  • the connected via a common flywheel piston of each pair of pistons mutually pivot in the cylinder or from, the flywheels of the piston pairs are rotatably connected to each other and serve staggered connecting rods for their control.
  • the motor in order to increase the efficiency of an airtight housing arranged so that you can work with high gas pressures.
  • magnets are provided on the pivot arms of the pistons which pivot relative to coils outside the housing for generating electricity.
  • the swinging rhythm can be additionally influenced from the outside.
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic representation of another hot gas engine with two double cylinders, each with a pair of pistons
  • FIG. 3 shows a plan view according to FIG. 2
  • Figure 4 is a schematic representation of an inventive
  • a heatable working cylinder 2 and a coolable compression cylinder 3 are provided in a housing 1 on two ring sections.
  • cylinders 2, 3 correspondingly shaped pistons 4 and 5 are guided without contact on pivot arms 6 and 7.
  • the pivot arms 6 and 7 are mounted outside of the cylinders 2 and 3 on a central axis 8 arranged between them. They are arranged at the free ends of the pistons 4 and 5, that they are still outside the cylinder when retracted piston.
  • the two pivot arms 6 and 7 are in turn connected via connecting rods 10 and 11 at 9 out of phase with a flywheel 12.
  • seals 13 and 14 can be attached to the inlet side of the cylinders 2 and 3 so that they are only exposed to relatively low temperatures.
  • the working gas circulating in the system is heated by a heating source 15 acting on the working cylinder 2 and can flow into the compression cylinder 3 via the cooler 16, which is simultaneously designed as a regenerator.
  • the engine of FIG. 1 operates according to the usual Stirlingprin- zip, the thermal expansion of the working gas in the cylinder 2, the piston 4 pivots out of this. Controlled accordingly, the piston 5 presses the cool working gas present in the cylinder 3 via the radiator 16 into the cylinder 2.
  • the compression piston and the displacer piston move out of phase, the usable work being applied by the working piston, while the displacer displaces only the working gas.
  • FIGS. 2 and 3 is a double-piston engine, with two heatable working cylinders 17 and 18 and two coolable displacement cylinders 19 and 20 opposite each other, which are connected to each other via gas channels 21 and 22.
  • the pistons 23 and 24 and the, off not visible in the drawing piston in the displacement cylinders 19 and 20 are each secured to a common pivot arm 25 which are pivotally mounted at 26 and 27 outside the cylinder 17 to 20.
  • About connecting rods 28 and 29 is then out of phase, the connection with the coupled flywheels 30 and 31st
  • the compression cylinders 17 and 18 are heated by a heating source 32 and the working gas via the radiator or regenerators 21 and 22 in the compression cylinder 19 and 20 transferred.
  • the advantage can be made of the seals 33 and 34 at the inlet openings for the pistons 23 and 24, so in the relatively low temperature range to arrange.
  • the entire engine according to the embodiment of FIGS. 2 and 3 can be arranged in an airtight housing, not shown, so that relatively high gas pressures can be used.
  • 25 magnets 35 and fixed to the housing coils 36 are provided to generate electricity to the pivot arms. In this way, the swinging rhythm can be additionally influenced from the outside.
  • a heatable working cylinder 42 and a coolable compression cylinder 43 are provided in a housing 41 on two ring sections.
  • cylinders 42, 43 correspondingly shaped pistons 44 and 45 are guided on pivot arms 46 and 47 without contact.
  • the pivoting arms 46 and 47 are mounted outside of the cylinders 42 and 43 on two central axles 8 ', 8 "arranged parallel between them, whereby they are arranged at the free ends of the pistons 44 and 45 so that they are still outside the cylinders when the pistons are retracted
  • the two pivot arms 46 and 47 are in turn connected via connecting rods 50 and 51 at 49 out of phase with a flywheel 52.
  • seals 53 and 54 may be attached to the inlet side of the cylinders 42 and 43 so that they are exposed to relatively low temperatures.
  • the working gas circulating in the system is heated by a heating source 55 acting on the working cylinder 42 and can flow into the compression cylinder 43 via the cooler 56, which is simultaneously designed as a regenerator.
  • the engine of FIG. 4 operates according to the usual Stirling principle, wherein the thermal expansion of the working gas in the cylinder 42 pivots the piston 44 out of this. Controlled accordingly, the piston 45 then presses the cool working gas present in the cylinder 43 into the cylinder 42 via the cooler 56.
  • the compression piston and the displacer piston move out of phase, the usable work being applied by the working piston, while the displacer merely displaces the working gas.

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Abstract

Ein Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip hat mindestens zwei in separaten Zylindern befindliche, durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelte Kolben, von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder als Verdränger und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder als Arbeitskolben geführt ist und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle für das Heißgas vorgesehen sind, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken.

Description

Heißgasmotor nach dem Stirlinqprinzip
Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit mindestens zwei in separaten Zylindern befindlichen, durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelten Kolben, von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder als Verdränger und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder als Arbeitskolben geführt ist und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle für das Heißgas vorgesehen sind.
Stand der Technik
Bei den bekannten Motoren dieser Art werden die Kolben direkt im Zylinder geführt. Da zumindest im heißen Arbeitszylinder hohe Temperaturen entstehen, kann einerseits keine Ölschmierung Anwendung finden und andererseits müssen sehr hochwertige Werkstoffe verwendet werden. Bei dem erforderlichen engen Spiel zwischen Kolben und Zylinder neigen die Zylinder einerseits durch Verziehen zu Verklemmungen und bei den sich überwiegend am oberen Teil der Kolben befindlichen Dichtungen kann es im nicht geschmierten Hochtemperaturbereich oft zu Dichtungsverlusten kommen, so dass der Wirkungsgrad in relativ kurzer Zeit erheblich absinkt. Zur Abhilfe hat man bereits Führungen der Kolben außerhalb der Zylinder vorgesehen, jedoch ergeben sich dabei größere Gewichtsmassen, welche wiederum den Wirkungsgrad des Motors negativ beeinflussen.
Beschreibung
Um bei einem engen Spiel zwischen Kolben und Zylinder trotzdem eine sichere Führung der Kolben im Zylinder zu erreichen, liegen erfindungsgemäß die Zylinder und die Kolben auf Ringabschnitten, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken und die aus den Zylindern herausragenden oder mit diesen abschließenden Kolbenenden über Schwenkarme o.dgl. auf einer außerhalb der Zylinder zwischen diesen angeordneten Mittelachse oder Mittelachsen geführt sind. Durch diese Art der Führung der Kolben außerhalb der Zylinder berühren diese die Zylinder nicht, sodass jede Gefahr von Verklemmungen vermieden wird. Die zur Führung dienenden Schwenkarme können sehr leicht ausgeführt werden, sodass sich insgesamt sehr geringe Gewichtsmassen ergeben und man einen sehr ruhigen Lauf erreicht. Sind die Kolbenenden über Schwenkarme oder dergleichen auf zwei außerhalb der Zylinder zwischen diesen angeordneten Mittelachsen geführt, so sind die Kolben weiter voneinander beabstandet, wodurch eine verbesserte Abdämmungsmöglichkeit der Zylinder gegeben ist.
Da die Kolben unmittelbar an den Schwenkarmen befestigt sind, entfallen Kolbenbolzen und man kann daher Dichtungen an der Einlassseite der Zylinder, also entgegen der mit Temperatur beaufschlagten Seite, anbringen, so dass sie nur noch verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Die Querschnitte der Kolben können rund oder viereckig sein.
Nach weiteren Merkmalen der Erfindung weisen die Kolben je ei- nen Schwenkarm mit Lagerung auf und sind die Kolbenenden oder die Schwenkarme über Pleuel mit einer Schwungscheibe verbunden.
Um einen Motor mit besonders ruhigem Lauf und hohem Wirkungsgrad zu erreichen, besteht dieser aus zwei sich gegenüberliegenden, über Gaskanäle verbundenen Zylindern mit Kolben, von denen je ein Paar als heizbare Arbeitszylinder und das gegenüberliegende Paar als kühlbare Verdrängungszylinder ausgebildet sind. Dabei schwenken die über eine gemeinsame Schwungscheibe verbundenen Kolben jedes Kolbenpaars wechselseitig in die Zylinder ein bzw. aus, sind die Schwungscheiben der Kolbenpaare drehfest miteinander verbunden und dienen versetzt angeordnete Pleuel zu deren Steuerung.
Zweckmäßigerweise ist der Motor, um den Wirkungsgrad zu erhöhen einem luftdichten Gehäuse angeordnet, so dass mit hohen Gasdrücken gearbeitet werden kann. Vorzugsweise sind an den Schwenkarmen der Kolben Magnete vorgesehen, welche gegenüber außerhalb des Gehäuses feststehenden Spulen zur Stromerzeugung verschwenken. Außerdem kann auch auf diese Weise der Schwenkrhythmus von außen zusätzlich beeinflusst werden.
Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Heißgasmotors,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Heißgasmotors mit zwei Doppelzylindem mit je einem Kolbenpaar,
Figur 3 eine Draufsicht nach Fig. 2,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Heißgasmotors mit zwei Mittelachsen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind in einem Gehäuse 1 auf zwei Ringabschnitten ein heizbarer Arbeitszylinder 2 und ein kühlbarer Kompressionszylinder 3 vorgesehen. In diesen Zylindern 2, 3 sind entsprechend geformte Kolben 4 und 5 auf Schwenkarmen 6 und 7 berührungslos geführt. Die Schwenkarme 6 und 7 sind außerhalb der Zylinder 2 und 3 auf einer zwischen diesen angeordneten Mittelachse 8 gelagert. Dabei sind sie so an den freien Enden der Kolben 4 und 5 angeordnet, dass sie bei eingefahrenen Kolben noch außerhalb der Zylinder liegen. Die beiden Schwenkarme 6 und 7 sind ihrerseits über Pleuel 10 und 11 bei 9 phasenverschoben mit einer Schwungscheibe 12 verbunden.
Durch die Verbindung der Kolben 4 und 5 mit den Schwenkarmen außerhalb der Zylinder 2 und 3 können Dichtungen 13 und 14 an der Einlassseite der Zylinder 2 und 3 angebracht werden, so dass sie nur verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Das im System kursierende Arbeitsgas wird durch eine auf den Arbeitszylinder 2 einwirkende Heizquelle 15 erhitzt und kann über den Kühler 16, welcher gleichzeitig als Regenerator ausgebildet ist, in den Kompressionszylinder 3 strömen.
Der Motor nach Fig. 1 arbeitet nach dem üblichen Stirlingprin- zip, wobei die thermische Ausdehnung des Arbeitsgases im Zylinder 2 den Kolben 4 aus diesem hinausschwenkt. Entsprechend gesteuert drückt dann der Kolben 5 das im Zylinder 3 vorhandene kühle Arbeitsgas über den Kühler 16 in den Zylinder 2. Der Kompressionskolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dabei phasenverschoben, wobei die nutzbare Arbeit vom Arbeitskolben aufgebracht wird, während der Verdrängerkolben lediglich das Arbeitsgas verschiebt.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fign. 2 und 3 handelt es sich um einen Doppelkolbenmotor, wobei sich jeweils zwei heizbare Arbeitszylinder 17 und 18 und zwei kühlbare Verdrängungszylinder 19 und 20 gegenüberliegen, welche über Gaskanäle 21 und 22 miteinander verbunden sind. Die Kolben 23 und 24 und die, aus der Zeichnung nicht ersichtlichen Kolben in den Verdrängungszylindern 19 und 20 sind jeweils an einem gemeinsamen Schwenkarm 25 befestigt, welche bei 26 bzw. 27 außerhalb der Zylinder 17 bis 20 schwenkbar gelagert sind. Über Pleuel 28 und 29 erfolgt dann phasenversetzt die Verbindung mit den gekoppelten Schwungscheiben 30 und 31.
Auch hier werden die Kompressionszylinder 17 und 18 durch eine Heizquelle 32 aufgeheizt und das Arbeitsgas über die Kühler bzw. Regeneratoren 21 und 22 in die Kompressionszylinder 19 und 20 übergeleitet. Auch hier kann von dem Vorteil Gebrauch gemacht werden, die Dichtungen 33 und 34 an den Eintrittsöffnungen für die Kolben 23 und 24, also im relativ niedrigen Temperaturbereich, anzuordnen.
Der gesamte Motor nach dem Ausführungsbeispiel der Fign. 2 und 3 kann in einem nicht dargestellten luftdichten Gehäuse angeordnet sein, so dass relativ hohe Gasdrücke verwendet werden können. Ausserdem sind an den Schwenkarmen 25 Magnete 35 und am Gehäuse feststehende Spulen 36 zur Stromerzeugung vorgesehen. Auf diese Weise kann auch der Schwenkrhythmus von außen zusätzlich beeinflusst werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 sind in einem Gehäuse 41 auf zwei Ringabschnitten ein heizbarer Arbeitszylinder 42 und ein kühlbarer Kompressionszylinder 43 vorgesehen. In diesen Zylindern 42, 43 sind entsprechend geformte Kolben 44 und 45 auf Schwenkarmen 46 und 47 berührungslos geführt. Die Schwenkarme 46 und 47 sind außerhalb der Zylinder 42 und 43 auf zwei zwischen diesen parallel angeordneten Mittelachsen 8', 8" gelagert. Dabei sind sie so an den freien Enden der Kolben 44 und 45 angeordnet, dass sie bei eingefahrenen Kolben noch außerhalb der Zylinder liegen. Die beiden Schwenkarme 46 und 47 sind ihrerseits über Pleuel 50 und 51 bei 49 phasenverschoben mit einer Schwungscheibe 52 verbunden.
Durch die Verbindung der Kolben 44 und 45 mit den Schwenkarmen außerhalb der Zylinder 42 und 43 können Dichtungen 53 und 54 an der Einlassseite der Zylinder 42 und 43 angebracht werden, so dass sie nur verhältnismäßig geringen Temperaturen ausgesetzt sind. Das im System kursierende Arbeitsgas wird durch eine auf den Arbeitszylinder 42 einwirkende Heizquelle 55 erhitzt und kann über den Kühler 56, welcher gleichzeitig als Regenerator ausgebildet ist, in den Kompressionszylinder 43 strömen.
Der Motor nach Fig. 4 arbeitet nach dem üblichen Stirlingprin- zip, wobei die thermische Ausdehnung des Arbeitsgases im Zylinder 42 den Kolben 44 aus diesem hinausschwenkt. Entsprechend gesteuert drückt dann der Kolben 45 das im Zylinder 43 vorhandene kühle Arbeitsgas über den Kühler 56 in den Zylinder 42. Der Kompressionskolben und der Verdrängerkolben bewegen sich dabei phasenverschoben, wobei die nutzbare Arbeit vom Arbeitskolben aufgebracht wird, während der Verdrängerkolben lediglich das Arbeitsgas verschiebt.

Claims

Ansprüche
1. Heißgasmotor nach dem Stirlingprinzip mit mindestens zwei in separaten Zylindern (2,3) befindlichen durch eine Steuerung bewegungsmäßig miteinander gekoppelten Kolben (4,5), von denen wenigstens einer in einem kühlbaren Kompressionszylinder (3) als Kompressionskolben (5) und einer in einem heizbaren Arbeitszylinder (2) als
Arbeitskolben (4) geführt ist, und zwischen den Zylindern ein oder mehrere Gaskanäle (16) für das Arbeitsgas vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2,3) und die
Kolben (4,5) auf Ringabschnitten liegen, wobei die Kolben berührungslos in den Zylindern schwenken und die aus den Zylindern herausragenden oder mit diesen abschließenden Kolbenenden über
Schwenkarme (6,7) o.dgl. auf einer außerhalb der Zylinder (2,3) zwischen diesen angeordneten Mittelachse (8) oder Mittelachsen (81, 8") geführt sind.
2. Heißgasmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (2,3) an ihren Eintrittsöffnungen für die Kolben (3,4) Dichtungen (13,14) aufweisen.
3. Heißgasmotor nach einem oder beiden der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kolben rund oder viereckig sind.
4. Heißgasmotor nach einem oder mehreren der vorangehenden
Ansprüche, dass die Kolben (4,5) je einen Schwenkarm (10,11) mit Lagerung (8) aufweisen.
5. Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenenden oder die Schwenkarme
(6,7) über Pleuel (10,11) mit einer Schwungscheibe (12) verbunden sind.
6. Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei sich gegenüberliegende über Gaskanäle
(21 ,22) verbundene Doppelzylinder (17-20) mit Kolben (23,24), von denen je ein Paar als heizbare Arbeitszylinder (17,18) und das gegenüberliegende Paar als kühlbare Verdrängungszylinder
(19,20) ausgebildet sind, wobei die über eine gemeinsame
Schwungscheibe (25) verbundenen Kolben jedes Kolbenpaars wechselseitig in die Zylinder ein- bzw. ausschwenken, die Schwungscheiben der Kolbenpaare drehfest miteinander verbunden sind und versetzt angeordnete Pleuel (28,29) zu deren Steuerung dienen.
7. Heißgasmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei
Kompressionskolben und je zwei Arbeitskolben (23,24) auf je einem Doppelschwenkarm (25) angebracht sind, welcher im Mittelpunkt der Ringabschnitte je eine Lagerung (26) aufweist.
8. Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor in einem luftdichten Gehäuse angeordnet ist.
9. Heißgasmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schwenkarmen (25) der Kolben (23,24) Magnete (35) vorgesehen sind, welche gegenüber außerhalb des Gehäuses feststehenden Spulen (36) zur Stromerzeugung verschwenken.
10. Heißgasmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gaskanälen (21 ,22) Regeneratoren eingesetzt sind.
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