DE19600321A1

DE19600321A1 - Hot gas engine

Info

Publication number: DE19600321A1
Application number: DE1996100321
Authority: DE
Inventors: Harald Hofmann; Wolfgang Koenig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-09
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-10
Also published as: EP0691467A1; DE4424319C1

Description

Die Erfindung stellt eine Verbesserung eines Heißgasmotors nach dem deutschen Patent 44 24 319 dar.The invention provides an improvement to a hot gas engine according to the German patent 44 24 319.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Momentenverteilung an der Verbindung des Heißgasmotors zu einem Energieübertrager und somit den Rundlauf der Maschine bei gleichzeitiger Erhöhung der Motorleistung ohne Veränderung der Baugröße der Maschine zu verbessern.The invention is based on the problem of the torque distribution at the connection of the hot gas engine to an energy exchanger and thus the concentricity of the machine while increasing the engine power without changing the size of the Machine to improve.

Das Problem wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterführungen der erfindungsgemäßen Lösung dar.The problem is solved by the features characterized in claim 1. The Subclaims represent advantageous developments of the solution according to the invention.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt inThe solution according to the invention is subsequently preferred Embodiment described with reference to the drawing. The drawing shows in

Fig. 1 einen verbesserten Heißgasmotor mit drei Kolbenraumkammern im Längsschnitt; Figure 1 shows an improved hot gas engine with three piston chamber chambers in longitudinal section.

Fig. 2 einen Verdränger des verbesserten Heißgasmotors nach Fig. 1 und Fig. 2 shows a displacer of the improved hot gas engine according to Fig. 1 and

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der Kolbenpositionen und des Verdrängerdrehwinkels. Fig. 3 is a timing diagram of the piston positions and the displacement angle.

Fig. 1 zeigt einen verbesserten Heißgasmotor mit einem mittels Querwänden 40 in drei Kolbenraumkammern 41 unterteilten Kolbenraum 4. Fig. 1 shows an improved Stirling cycle engine with a divided by transverse walls 40 into three chambers the piston chamber 41 piston chamber 4.

Das Gehäuse 1 des Motors weist einen Wärmezuführteil 10, der mit einer äußeren Wärmequelle gekoppelt ist, und einen Wärmeabführteil 12, der mit einer äußeren Wärmesenke gekoppelt ist, auf. Das Gehäuse 1 umschließt einen Verdränger 5, dessen Mantelfläche von über seine gesamte Länge ausgedehnten segmentförmigen Ausschnitten 8 derart unterbrochen wird, daß zwischen den segmentförmigen Ausschnitten 8 die verbleibende Mantelfläche des Verdrängers 5 gleichgroße Bogenlängen bildet. Entsprechend der Anzahl der Kolbenraumkammern 41 sind sechs segmentförmige Ausschnitte 8 vorhanden, von denen jedoch lediglich zwei dargestellt sind. Der Kolbenraum 4 wird von dem Innenzylinder des als Hohlzylinder ausgeführten Verdrängers 5 gebildet. Der Kolbenraum 4 ist vorteilhafterweise in drei gleichvolumige Kammern 41 mittels zweier Querwände 40 unterteilt. In jeder Kammer 41 ist ein Arbeitskolben 20 angeordnet. Die Arbeitskolben 20 oszillieren längs einer starr mit dem Gehäuse 1 verbundenen Kolbenstange 21, die entlang der Achse des Verdrängers 5 verläuft. Die Arbeitskolben 20 verfügen über je einen inneren Hohlraum, der als Nut- oder Wulstkurvenzylinder ausgeführt ist. In Verbindung mit der Kolbenstange 21, die wenigstens im Hubbereich der Arbeitskolben 20 in die Nut eingreifende Finger bzw. die Wulst überbrückende Nuten aufweist, ist derart jeder Arbeitskolben 20 mit einem Bewegungswandler 6 ausgestattet, wodurch der Längshub der Arbeitskolben 20 in Rotation derselben umgewandelt wird. Zwischen den Arbeitskolben 20 besteht eine mittels der Bewegungswandler 6 herbeigeführte Phasenverschiebung von 120°, wodurch während einer Umdrehung des Verdrängers 5 jeder Arbeitskolben 20 einmal die Umkehrpunkte in seiner Oszillation erreicht. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die Rotation der Arbeitskolben 20 wird durch Mitnehmer 51 auf den Verdränger 5 übertragen. Die Mitnehmer 51 bestehen jeweils aus einem aus der inneren Mantelfläche des Verdrängers 5 herausragenden Zapfen 511 und einer parallel zur Kolbenstange 21, also in Hubrichtung der Arbeitskolben 20 verlaufenden in deren Mantelfläche eintauchenden Nut 512. Da die Übertragung der Rotation von jedem Arbeitskolben 20 auf den Verdränger 5 erfolgt, ergibt sich, daß die Steigungen der Bewegungswandler 6 gleich sind.The housing 1 of the motor has a heat supply part 10 , which is coupled to an external heat source, and a heat dissipation part 12 , which is coupled to an external heat sink. The housing 1 encloses a displacer 5 , the lateral surface of which is interrupted by segment-shaped cutouts 8 extending over its entire length such that the remaining lateral surface of the displacer 5 forms the same length of arc between the segmental cutouts 8 . Corresponding to the number of piston chamber 41, there are six segment-shaped cutouts 8 , of which only two are shown. The piston chamber 4 is formed by the inner cylinder of the displacer 5 designed as a hollow cylinder. The piston chamber 4 is advantageously divided into three equal-volume chambers 41 by means of two transverse walls 40 . A working piston 20 is arranged in each chamber 41 . The working pistons 20 oscillate along a piston rod 21 which is rigidly connected to the housing 1 and runs along the axis of the displacer 5 . The working pistons 20 each have an inner cavity, which is designed as a groove or bead cam cylinder. In connection with the piston rod 21 , which at least in the stroke area of the working pistons 20 has fingers engaging in the groove or bridges spanning the bead, each working piston 20 is equipped with a movement transducer 6 , whereby the longitudinal stroke of the working piston 20 is converted into rotation thereof. Between the working pistons 20 there is a phase shift of 120 ° brought about by the movement transducers 6 , whereby each working piston 20 once reaches the reversal points in its oscillation during one revolution of the displacer 5 . This is shown in FIG. 3. The rotation of the working piston 20 is transmitted to the displacer 5 by the driver 51 . The drivers 51 each consist of a pin 511 protruding from the inner circumferential surface of the displacer 5 and a groove 512 which runs parallel to the piston rod 21 , that is to say in the stroke direction of the working piston 20 , and plunges into their circumferential surface. Since the rotation is transmitted from each working piston 20 to the displacer 5 , it follows that the gradients of the movement transducers 6 are the same.

Jeder segmentförmige Ausschnitt 8 verfügt über eine Öffnung 9, die eine Verbindung zwischen dem segmentförmigen Ausschnitt 8 und einer Kolbenraumkammer 41 bildet. Die dargestellten Öffnungen 9 verbinden eine Kolbenraumkammer 41 mit zwei segment förmigen Ausschnitten 8, die, wie in Fig. 2 dargestellt, in einem Winkel von 180° zuein ander angeordnet sind. Die Öffnungen 9 sind dabei im Bereich der Umkehrpunkte des in der jeweiligen Kolbenraumkammer 41 oszillierenden Arbeitskolbens 20 angeordnet.Each segment-shaped cutout 8 has an opening 9 , which forms a connection between the segment-shaped cutout 8 and a piston chamber 41 . The openings 9 shown connect a piston chamber 41 with two segment-shaped cutouts 8 , which, as shown in Fig. 2, are arranged at an angle of 180 ° to each other. The openings 9 are arranged in the region of the reversal points of the working piston 20 oscillating in the respective piston chamber 41 .

Der Verdränger 5 ist über eine Abtriebswelle 75 mit einem Energiewandler 7, beispielsweise einem Generator verbunden. Die Abtriebswelle 75 ist dabei in geeigneter Weise im Gehäuse 1 des erfindungsgemäßen Heißgasmotors gelagert und gegen dasselbe radial abgedichtet. Vorteilhafterweise verfügt die Abtriebswelle 75 über ein innenliegendes Lager zur Aufnahme der feststehenden Kolbenstange 21.The displacer 5 is connected via an output shaft 75 to an energy converter 7 , for example a generator. The output shaft 75 is mounted in a suitable manner in the housing 1 of the hot gas engine according to the invention and radially sealed against the same. The output shaft 75 advantageously has an internal bearing for receiving the fixed piston rod 21 .

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Verdränger 5. Die segmentförmigen Ausschnitte 8 bilden jeweils Winkel von 60°, wobei sich gegenüberliegende segmentförmige Ausschnitte 8 mit Öffnungen 9 versehen sind, die eine Verbindung zur gleichen Kolbenraumkammer 21 bilden. Die geschnittene Kolbenraumkammer 41 wird von der Querwand 40 abgeschlossen. Im Zentrum des dargestellten Verdrängers 5 verläuft die Kolbenstange 21. An der inneren Mantelfläche des Verdrängers 5 befinden sich die Zapfen 511 der Mitnehmer 51. Diese können sowohl in einer Flucht als auch in geeigneter Weise, etwa in einem Winkel von 120° zueinander, versetzt angeordnet sein. Fig. 2 shows a cross section of the displacer. 5 The segment-shaped cutouts 8 each form an angle of 60 °, opposite segment-shaped cutouts 8 being provided with openings 9 which form a connection to the same piston chamber 21 . The cut piston chamber 41 is closed by the transverse wall 40 . The piston rod 21 runs in the center of the displacer 5 shown. The pins 511 of the drivers 51 are located on the inner lateral surface of the displacer 5 . These can be arranged both in alignment or in a suitable manner, for example at an angle of 120 ° to one another.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung wird anhand von Fig. 3 beschrieben. Durch Zufuhr von Wärmeenergie wird das Wärmezuführteil 10 des Gehäuses 1 erwärmt, wodurch das Arbeitsgas im dem Wärmezuführteil 10 nächstliegenden segmentförmigen Ausschnitt 8 aufgeheizt wird, so daß sich das Arbeitsgas unter Druckerhöhung ausdehnt. Die Ausdehnung pflanzt sich durch die Öffnung 9 auf das Gas in der verbundenen Kolbenraumkammer 41 fort, so daß die dort einsetzende Druckerhöhung auf den Arbeitskolben 20 wirkt und dieser in Translationsbewegung versetzt wird. Die Translationsbewegung des Arbeitskolbens 20 in der durch die Gasausdehnung mit erhöhtem Druck beaufschlagten Kolbenraumkammer 41 wird mittels des Bewegungswandlers 6 in eine Rotation des Arbeitskolbens 20 umgewandelt. Da der Arbeitskolben 20 über den Mitnehmer 51 mit dem Verdränger 5 gekoppelt ist, führt die Rotation des Arbeitskolbens 20 zur Rotation des Verdrängers 5. Dadurch gelangt der nächste segmentförmige Ausschnitt 8 in den Bereich des Wärmezuführteils 10 und die Druckerhöhung des dort befindlichen Arbeitsgases beaufschlagt den Arbeitskolben 20 in der über die Öffnung 9 mit dem nunmehr im Bereich des Wärmezuführteils 10 befindlichen segmentförmigen Ausschnitt 8 in Verbindung stehenden Kolbenraumkam mer 41. Dieser Vorgang setzt sich zyklisch fort. Darüber hinaus gelangt stets der segmentförmige Ausschnitt 8 in den Bereich des Wärmeabführteils 12, der mit dem im Bereich des Wärmezuführteils 10 befindlichen einen Winkel von 180° bildet. Das Wärmeabführteil 12 aber entzieht dem Arbeitsgas Wärmeenergie. Der damit einhergehende Druckverlust des Arbeitsgases im segmentförmigen Ausschnitt 8 pflanzt sich durch die Öffnung 9 in die Kolbenraumkammer 41 fort und verstärkt somit die Translation des Arbeitskolbens 20. Selbstredend läuft auch dieser Vorgang entsprechend der Rotation des Verdrängers 5 zyklisch in den Kolbenraumkammern 41 ab. Demnach wird während einer Umdrehung des Verdrängers 5 die zugeführte Energie über die um 120° phasenverschoben arbeitenden Arbeitskolben 20 dreimal in mechanische Arbeit umgesetzt, wodurch der rotierende Verdränger 5, der über die Mitnehmer 51 an jeden Arbeitskolben 20 gekoppelt ist, die dreifache Leistung über die Abtriebswelle 75 an den Energiewandler 7 abgeben kann. The mode of operation of the solution according to the invention is described with reference to FIG. 3. By supplying thermal energy, the heat supply part 10 of the housing 1 is heated, as a result of which the working gas is heated in the segment-shaped cutout 8 closest to the heat supply part 10 , so that the working gas expands while increasing the pressure. The expansion propagates through the opening 9 onto the gas in the connected piston chamber 41 , so that the pressure increase occurring there acts on the working piston 20 and the latter is set in translation. The translational movement of the working piston 20 in the piston chamber 41 , which is pressurized by the gas expansion, is converted into a rotation of the working piston 20 by means of the movement transducer 6 . Since the working piston 20 is coupled to the displacer 5 via the driver 51 , the rotation of the working piston 20 leads to the rotation of the displacer 5 . As a result, the next segment-shaped cutout 8 arrives in the area of the heat supply part 10 and the pressure increase of the working gas located there acts on the working piston 20 in the piston space chamber 41 connected via the opening 9 with the segment-shaped cutout 8 now located in the area of the heat supply part 10 . This process continues cyclically. In addition, the segment-shaped cutout 8 always reaches the area of the heat dissipation part 12 , which forms an angle of 180 ° with that located in the area of the heat supply part 10 . The heat dissipation part 12, however, extracts thermal energy from the working gas. The associated pressure loss of the working gas in the segment-shaped cutout 8 propagates through the opening 9 into the piston chamber 41 and thus increases the translation of the working piston 20 . Of course, this process also takes place cyclically in the piston chamber 41 in accordance with the rotation of the displacer 5 . Accordingly, during one revolution of the displacer 5, the energy supplied is converted three times into mechanical work via the working pistons 20 which are phase-shifted by 120 °, as a result of which the rotating displacer 5 , which is coupled to each working piston 20 via the drivers 51 , triple the power via the output shaft 75 can deliver to the energy converter 7 .

Die Anzahl der Arbeitskolben 20 und damit die Anzahl der segmentförmigen Ausschnitte 8 ist theoretisch nach oben unbegrenzt. Jedoch wird praktisch diese Anzahl dadurch begrenzt, daß die Wärmenergieniveaus des Arbeitsgases in benachbarten segmentförmigen Ausschnitten 8 in jeder Phase der Rotation des Verdrängers 5 hinreichend verschieden sind und jeweils eine Kolbenraumkammer 41 definiert an das Wärmezuführteil 10 und das Wärmeabführteil 12 thermisch gekoppelt ist.The number of working pistons 20 and thus the number of segment-shaped cutouts 8 is theoretically unlimited upwards. However, this number is practically limited by the fact that the thermal energy levels of the working gas in adjacent segment-shaped cutouts 8 are sufficiently different in each phase of the rotation of the displacer 5 and in each case a piston chamber 41 is thermally coupled to the heat supply part 10 and the heat dissipation part 12 .

Ist eine, vorzugsweise äußere, Kolbenraumkammer 41 lediglich über eine Öffnung 9 mit einem segmentförmigen Ausschnitt 8 verbunden, wird der Arbeitskolben 20 während einer Umdrehung des Verdrängers 5 ausschließlich durch eine Druckerhöhung oder einen Druckverlust im Arbeitsgas beaufschlagt, so daß der somit nicht beaufschlagte Kolbenboden an sich stets einem mittleren Druck ausgesetzt ist. Durch die Translation des Arbeitskolbens 20 aber wird das Arbeitsgas aufgrund der Volumenänderung in dem unbeaufschlagten Kolbenraumkammerbereich komprimiert und entspannt. Es wirkt somit wie eine Gasfeder. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein verbessertes Anlaufverhalten des Motors.If a, preferably outer, piston chamber 41 is only connected to a segment-shaped cutout 8 via an opening 9 , the working piston 20 is only acted upon by a pressure increase or a pressure loss in the working gas during one revolution of the displacer 5 , so that the piston head, which is thus not acted upon, per se is always exposed to medium pressure. However, due to the translation of the working piston 20 , the working gas is compressed and expanded due to the change in volume in the unloaded piston chamber area. It therefore acts like a gas spring. The advantage of such an embodiment of the solution according to the invention is an improved starting behavior of the motor.

Claims

1. Hot gas engine according to Patent 44 24 319, characterized in that

the displacer ( 5 ) is provided with a plurality of segment-shaped cutouts which take up its entire length,
a subdivision of the piston chamber ( 4 ) by means of transverse walls ( 40 ) into chambers ( 41 ) is provided,
- A working piston ( 20 ) is arranged in each chamber ( 41 ),
- The piston chamber ( 4 ) is traversed over its entire length by an axially arranged piston rod ( 21 ) rigidly connected to the housing ( 1 ),
- Each working piston ( 20 ) has an interior space ( 60 ) which, in conjunction with the piston rod ( 21 ), is designed as a motion converter ( 6 ),
- The displacer ( 5 ) is coupled to the working piston ( 20 ) by drivers ( 51 ),
- The segment-shaped cutouts each have an opening ( 9 ) which forms a connection to a chamber ( 41 ) of the piston chamber ( 4 ) and
- Each chamber ( 41 ) of the piston chamber ( 4 ) is connected in this way with two segment-shaped cutouts arranged at an angle greater than 150 ° and less than 210 ° to one another.

2. Hot gas engine according to claim 1, characterized in that the segment-shaped cutouts are arranged in pairs at an angle of greater than 150 ° and less than 210 ° and 180 ° / n to each other, where n represents the number of chambers ( 41 ) of the piston chamber ( 4 ) .

3. Hot gas engine according to claim 2, characterized in that the movement transducers ( 6 ) have a phase shift of 360 ° / n with respect to the piston rod ( 21 ), so that the first segment-shaped cutout connected to the respective piston chamber ( 41 ) contains the heat supply part ( 10 ) and the second segment-shaped cutout connected to the respective piston chamber ( 41 ) sweeps over the heat dissipation part ( 12 ) of the housing ( 1 ) in the period in which the working piston ( 20 ) oscillating in the respective piston chamber ( 41 ) reaches a reversal point of its stroke movement.

4. Hot gas engine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the openings ( 9 ) are each arranged in the region of one of the reversal points of the working piston ( 20 ) oscillating in the respective piston chamber ( 41 ).

5. Hot gas engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drivers ( 51 ) as a pin ( 511 ) and rectilinear parallel to the axis of the displacer ( 5 ) extending groove ( 512 ) are executed.

6. Hot gas engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the displacer ( 5 ) is connected to an energy converter ( 7 ) or an energy transmitter.

7. Hot gas engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that a preferably outer piston chamber ( 41 ) exclusively via an in the region of one of the reversal points of the oscillating in the chamber ( 41 ) working piston ( 20 ) arranged opening ( 9 ) with a segment-shaped Neckline is connected.