DE2422125C3 - Heissgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse in dem Arbeitsraum bzw. in den Arbeitsräumen - Google Patents
Heissgaskolbenmaschine mit einer Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse in dem Arbeitsraum bzw. in den ArbeitsräumenInfo
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- 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
- F02G1/045—Controlling
- F02G1/05—Controlling by varying the rate of flow or quantity of the working gas
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißgaskolbenmaschitie mit mindestens einem Zylinder, in dem
mindestens ein über eine Kolbenstange mit einem Getriebe verbundener kolbenförmiger Körper hin- und
herbeweglich ist, von dem wenigstens eine Endfläche das Volumen eines Arbeitsraums beeinflußt, wobei
zwischen den zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders mindestens
zwei in axialer Richtung in einem Abstand voneinander liegende Dichtungselemente vorhanden sind, die in
Rillen in der genannten Kolben- oder Zylinderwand aufgenommen sind und einen Zwischenraum begrenzen,
der den Arbeitsraum von einem weiteren Raum trennt, wobei eine Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum vorhanden ist, welche einen
Speicherbehälter für Arbeitsmedium enthält, der über einen Kanal in der Kolbenstange mit dem Arbeitsraum
verbindbar ist
Eine Heißgaskolbenmaschine der genannten Art ist aus der US-PS 26 11 237 bekannt
Unter Heißgaskolbenmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Heißgaskolbenmotoren,
Gaskältemaschinen und Wärmepumpen verstanden. Im
ίο Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Arbeitsmedium
abwechselnd verdichtet, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraumes, dem Kompressionsraum befindet danach über einen Regenerator zu einem
Teilraum, dem Expansionsraum befördert, danach, wenn
dar Arbeitsmedium sich im wesentlichen im Expansionsraum befindet expandiert und zum Schluß über den
Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurückbefördert, womit der Zyklus vollendet ist Der Konipressions- und Expansionsraum weisen dabei im Betrieb
gegenüber einander unterschiedliche mittlere Temperaturen auf.
Mit der Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum der Heißgaskolbenmaschine
kann die Leistung dieser Maschine durch Änderung des
mittleren Arbeitsmediumdruckpegels im Arbeitsraum
geändert werden.
Bei der aus der US-PS 26 11 237 bekannten Maschine
wird der Speicherbehälter periodisch mit dem Arbeitsraum verbunden, und zwar dadurch, daß ein sich an den
genannten Behälter anschließendes Tor in der Führung der Kolbenstange periodisch durch den Kanal in der
Kolbenstange bei Hin- und Herbewegung dieser Stange freigegeben wird. Die Dichtungselemente zwischen den
zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen
Körpers und des Zylinders dichten dabei den Arbeitsraum gegenüber dem weiteren Raum ab, der beispielsweise der Kurbelwellenraum oder, wie bei doppeltarbeitenden Maschinen, ein zweiter Arbeitsraum sein kann.
Die bekannte Maschine weist weg':n des inneren
Kanalsystems den Vorteil einer gedrängten Konstruktion auf.
Bei kontinuierlicher Leistungsregelung von Heißgaskolbenmaschinen durch Regelung des mittleren Arbeitsmediumdruckpegels im Arbeitsraum werden zur
Zeit meistens zwei gesonderte Verbindungsleitungen zwischen dem Speicherbehälter und dem Arbeitsraum
verwendet (US-PS 33 72 539 und US-PS 35 46 877). Die erste Leitung mit einem Rückschlagventil, das in
Richtung des Arbeitsraumes öffnet, dient zum Zuführen
von Arbeitsmedium zu diesem Raum. Die zweite
Leitung, in die ein Rückschlagventil aufgenommen ist, die eine Strömung von Arbeitsmedium zum Arbeitsraum vermeidet, wird dazu verwendet, Arbeitsmedium
aus dem Arbeitsraum abzuführen. Bei der Maschine, auf
die sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird eine der
beiden Leitungen durch die Verbindung des Speicherbehälters mit dem Arbeitsraum über den Kanal in der
Kolbenstange gebildet.
Bei Mehrzylinder-Heißgaskolbenmaschinen sind für
jeden Arbeitsraum zwei in die zugehörenden Leitungen
aufgenommene Rückschlagventile erforderlich, die möglichst dicht am Arbeitsraum liegen, damit der
schädliche Raum der Leitungsteile zwischen dem Arbeitsraum und den genannten Ventilen möglichst
klein gehalten wird. Für Mehrraummaschinen bedeutet dies eine Vielzahl von Rückschlagventilen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Heißgaskolbenmaschine der genannten
Art zu schaffen, bei der auf vorteilhafte Weise das Vorhandensein der Dichtungselemente zwischen dem
kolbenförmigen Körper und dem Zylinder benutzt wird, um die Gesamtzahl erforderlicher Hilfsteile der
Maschine zu verringern unter Beibehaltung der Dichtung des Arbeitsraumes gegenüber dem weiteren
Raum sowie zur Verringerung des schädlichen Raumes des Arbeitsraumes.
Die erfindungsgemäße Heißgaskolbenmaschins weist
das Kennzeichen auf, daß der Kanal in der Kolbenstange sich an der vom Speicherbehälter abgewandten Seite
innerhalb des kolbenförmigen Körpers fortsetzt und in den Zwischenraum mündet, wobei das Dichtungselement,
das den Zwischenraum vom Arbeitsraum trennt, mit der zugehörenden Rille als ein in nur einer Richtung
für Arbeitsmedium durchlässiges Rückschlagventil ausgebildet ist
Durch diese Kombination von Maßnahmen ist erreicht worden, daß das Dichtungselement zwischen
dem Zwischenraum und dem Arbeitsraum zugleich als Rückschlagventil für das Leistungsregelsystem wirksam
ist. Gesonderte Rückschlagventile für die betriffenden Verbindungen sind daher nicht mehr notwendig.
Dadurch, daß das als Rückschlagventil wirksame Dichtungselement unmittelbar an den Arbeitsraum
grenzt, gibt es praktisch keinen schädlichen Raum.
Es sei bemerkt, daß es aus der US-PS 33 72 539 und der US-PS 35 46 887 an sich bekannt ist. einen
Dichtungsring (Kolbenring) als Rückschlagventil auszubilden. Es handelt sich dabei um Maschinen mit einem
Pufferraum an der vom Arbeitsraum abgewandten Seite des Kolbens, wobei Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum
über den Kolbenring zum Pufferraum abgeführt werden kann. Es ist dabei nicht die Rede vom Zu- oder
Abführen von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum über einen Kanal im Kolben, in der Kolbenstange bzw.
im Verdränger oder in der Verdrängerstange, wobei der Arbeitsraum gegenüber dem an der vom Arbeitsraum
abgewandten Seite des Kolbens liegenden weiteren Raum abgedichtet bleiben muß, wie dies bei der
Maschine nach der Erfindung der Fall ist.
Eine günstige Ausführurgsform der erfindungsgemäßen Heißgaskolbenmaschine, die als doppeltwirkender
Heißgasmotor ausgebildet ist, wobei der kolbenförmige Körper mit der einen Endfläche das Volumen eines
einen Teil eines ersten Arbeitsraumes bildenden Expansionsraumes mit im Betrieb höherer mittlerer
Temperatur beeinflußt und mit der anderen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines zweiten Arbeitsraumes
bildenden Kompressionsraumes mit im Betrieb niedrigerer mittlerer Temperatur beeinflußt, weist das
Kennzeichen auf, daß ausschließlich das Dichtungselement, das den Zwischenraum vom Kompressionsraum
des zweiten Arbeitsraumes trennt, mit der zugehörenden Rille als Rückschlagventil ausgebildet ist.
Dies bietet den Vorteil, daß bei Leistungsregelung immer gewährleistet ist, daß Arbeitsmedium mit
niedrigerer Temperatur in den Teil mit niedrigerer Temperatur des Arbeitsraumes eintritt bzw. denselben
verläßt. Heißes Arbeitsmedium gelangt dann nicht in die Abführungsleitung bzw. kaltes Arbeitsmedium erreicht
nicht die dem Expansionsraum zugewandte Seite mit höherer Temperatur des Regenerators zwischen dem
Expansions- und Kompressionsraum. Letzteres würde zu einer ungünstigen Wirkung des Regenerators führen,
wodurch der thermische Wirkungsgrad des Motors abnehmen würde.
Bei einer günstigen Ausführungsform der als doppeltwirkender Heißgasmotor ausgebildeten erfindungsgemäßen HeiQgaskolbenmaschine öffnet das Rückschlagventil in Richtung vom Zwischenraum zum Kompressionsraum.
Das Resultat ist, daß sich im Kanal innerhalb des kolbenförmigen Körpers und der Kolbenstange im
normalen Betrieb ein Druck einstellt, der dem Minimaldruck entspricht, der im Arbeitsraum mit
veränderlichem Druck auftritt Dadurch ist auch der
,ο Gasdruck oberhalb der Dichtungen zwischen der
Kolbenstange und der umgebenden Führung, die mit dem Kanal in Verbindung stehen, niedrig. Der Druck an
der anderen Seite dieser Dichtungen kann dann proportional niedriger sein. Für flüssigkeitsunterstützte
,5 Rollmembrandichtungen (US-PS 32 41 379) bedeutet
dies, daß die Pumpvorrichtung zum Zuführen von Unterstützungsflüssigkeit einen weniger hohen Flüssigkeitsdruck
zu leisten braucht
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, in der beispielsweise ein doppeltwirkender V:;:rzylinder-Heißgasmotor
in l-ängsschnitt auf schemafsche Weise und
nicht maßgerecht dargestellt ist, näher erläutert.
In der Figur sind mit den Bezugszeichen 1,2,3 und 4
die Zylinder bezeichnet, in denen die Kolben 5,6,7 bzw. 8 hin und her beweglich sind. Die Kolben sind über
Kolbenstangen 9 bis 12 und Getriebestangen 13 bis 16 mit einer Kurbelwelle 17 verbunden, deren Kurbeln 18
bis 21 untereinander um einen derartigen Winkel (90°) verschoben sind, daß der erwünschte Phasenunterschied
in der Bewegung der Kolben erhalten wird. Die Kurbelwelle 17 ist durch die Wand eines Kurbelkastens
22 hinausgeführt.
Die Kolben 5 bis 8 ändern mit ihrer oberen Endfläche das Volumen des Expansionsraumes 23, 24, 25 bzw. 26
und mit der unteren Endfläche das Volumen des Kompressionsraumes 27,28,29 bzw. 30.
Der Expansionsraum 23 innerhalb des Zylinders 1 und der durch einen Kanal 31 damit verbundene Kompressionsraum
28 innerhalb des Zylinders 2 bilden zusammen einen Arbeitsraum, in dem sich ein themodynamischer Kreislauf vollzieht. Weiter werden
Arbeitsräume gebildet durch den Expansionsraum 24 und den Kompressions.aum 29, die über den Kanal 32
miteinander verbunden sind; durch den Expansionsraum 25 und dem Kompressionsraum 30, die über den Kanal
33 miteinander verbunden sind und durch den Expansionsraum 26 innerhalb des Zylinders 4 und den
Kompressionsraum 27 innerhalb des Zylinders 1, die durch den Kanal 34 miteinander verbunden sind.
Das Arbeitsmedium der vier unterschiedlichen Kreisläufe bekommt in den Expansionsräumen 23 bis 26
von außen her mit Hilfe der Brenner 35a bis d Wärme zugeführt In jeden der Verbindungskanäle 31 bis 34 ist
ein Regenerator 36,37,38 bzw. 39 sowie ein Kühler 40,
41,42bzw.43aufgenimmen.
In jedem Zylinder ist der Expansionsraum des einen Kreislaufes dichtend vom Kompressionsraum des
anderen Kreislaufes getrennt, und zwar mittels zweier Kolbenringe, die in Rillen in der Kolbenwand in einem
gewissen Abstand voneinander aufgenommen sind.
Die Kolbenringe sind mit den Bezugszeichen 44 bis 51 bezeichnet. Jedes Kolbenringepaar begienzt einen
Zwischenraum 52,53,54 bzw. 55.
Die niedriger liegenden Kolbenringe 48 bis 51, die mit
ft< Spielraum in die zugehörfcnden Rillen 56 bis 59
aufgenommen sind, weisen an der Unterseite radiale Nuten 48a bis 51a auf. Es gibt dann immer eine offene
Verbindung zwischen einerseits dem angrenzenden
Kompressionsraum und andererseits dem Raum zwischen den einander zugewandten vertikalen Flächen der
Kolbenrille und des Kolbenringes. Die offene Verbindung kann beispielsweise auch dadurch verwirklicht
werden, daß die radialen Nuten in der unteren Fläche der Kolbenrillen 56 bis 59 vorgesehen werden.
Ein Speicherbehälter 60 für Arbeitsmedium ist über einen Kanal 61 in der Wand des Kurbelkastens 22 mit
den Ringkanälen 62 bis 65 verbunden, die beim Hin- und Herbewegen der Kolbenstangen 9 bis 12 ständig mit
den Kanälen 66 bis 69 innerhalb dieser Stangen in offener Verbindung bleiben. Die letztgenannten Kanäle
erstrecken sich bis in die betreffenden Kolben 5 bis 8 und münden in die betreffenden Zwischenräume 52 bis
55.
Zwischen dem Speicherbehälter 60 und dem Kanal 61 befindet sich ein Absperrelement 70.
Wenn die Motorleistung durch Zufuhr von Hoch druckarbcitsmedium aus dem Speicherbehälter 6(
gesteigert werden muß, ist das Abspcrrelement 70
geöffnet. Wenn der Druck im Kanal 66 und in Zwischerraum 52 größer ist als der veränderliche
Kreislaufdruck im Kompressionsraum 27, wird dci Kolbenring 48 mit der unteren Fläche, in der sich die
radialen Nuten 48a befinden, gegen die untere Fläche der Rille 56 gedrückt. Dann strömt Arbeitsmedium au«
,.·, dem Speicherbehälter 60 über die Kanäle 61 und 66. der
Zwischenraum 52 und die radialen Nuten 48a zum Kompressionsraum 27. Bei Verringerung der Leistung
wird Arbeitsmedium dem Arbeitsraum entnommen, unt zwar über eine nicht dargestellte Abführungsleitung.
,ς Mit der beschriebenen Konstruktion wird verhältnis
mäßig kaltes Arbeitsmedium dem kälteren Teil de« Kreislaufes zugeführt. Würde kaltes Arbeitsmedium
ΓιΚαγ /in HlACPm Pail ale Diir>Lcs*MafvwAntilo aiitnnkiMaln1
geschlossen und der Druck in den Kanälen 66 bis 69 und den Zwischenräumen 52 bis 55 entspricht nahezu dem
im Arbeitsraum auftretenden Minimaldruck. Der höhere mittlere Druck, beispielsweise im Kompressionsraum
27. sorgt dann dafür, daß der Kolbenring 48 mit der oberen Fläche nach wie vor an der oberen Wand der
Rille 56 anliegt, so daß dieser Kompressionsraum 27 dann gegenüber dem Zwischenraum 52 nach wie vor
abgedichtet wird. Der Kolbenring 44 sorgt für die Abdichtung des Expansiorsraumes 23 gegenüber dem
Zwischenraum 52. Wegen des höheren Druckpegels im Expansionsraum 23 gegenüber dem im Zwischenraum
52 wird der Kolbenring 44 besonders gut gegen die untere Fläche der Kolbenrille, in der sich dieser
Kolbenring befindet, gedrückt.
Kolbenringe 44 bis 47 den Expansionsräumen 23 bis 2t zugeführt werden, so wurden die Regeneratoren 36 bi·
39 ungünstig betrieben werden und der thermische Wirkungsgrad d?s Motors würde abnehmen.
Dadurch, daß normalerweise in den Ringkanälen 62 bis 65 der minimale Arbeitsmediumdruck herrscht, kanr
auch der Druck im Kurbelkasten 22 verhältnismäßig niedrig sein. Sind als Dichtungen, die die Ringkanäle 62
bis 65 vom Kurbelkastenraum trennen, durch Flüssigkeit unterstützte Rollmembranen vorhanden, so kanr
der Flüssigkeitsdruck an der von den Ringkanäler abgewandten Seite dieser Rollmembrsnen niedrig sein
was für die Flüssigkeitspumpe, die devvi Raum unter dei
Rollmembran Flüssigkeit zuführt und beispielsweise au< einem Pumpring bestehen kann, vorteilhaft ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Heißgaskolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder, in dem mindestens ein über eine Kolbenstange mit einem Getriebe verbundener kolbenförmiger Körper hin- und herbeweglich ist, von dem
wenigstens eine Endfläche das Volumen eines Arbeitsraumes beeinflußt, wobei zwischen den
zusammenarbeitenden Wänden des kolbenförmigen Körpers und des Zylinders mindestens zwei in
axialer Richtung in einem Abstand voneinander liegende Dichtungselemente vorhanden sind, die in
Rillen in der genannten Kolben- oder Zylinderwand aufgenommen sind und einen Zwischenraum begrenzen, der den Arbeitsraum von einem weiteren
Raum trennt, wobei eine Vorrichtung zur Regelung der Arbeitsmediummasse im Arbeitsraum vorhanden ist, welche einen Speicherbehälter für Arbeitsmedium enthält, der über einen Kanal in der
Kolbenstange mit dem Arbeitsraum verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal
(66, 69) in der Kolbenstange (9, 12) an der vom Speicherbehälter (60) abgewandten Seite sich
innerhalb des kolbenförmigen Körpers (5 bis 8) fortsetzt und in den Zwischenraum (52 bis 55)
mündet, wobei das Dichtungselement (48 bis 51), das den Zwischenraum (52 bis 55) vom Arbeitsraum (27
bis 30) trennt, mit der zugehörenden Rille (56 bis 59) als in nur einer Richtung für Arbeitsmedium
durchlässiges Rückschlagventil (48a bis 5IaJ ausgebildet ist
2. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 1, ausgebildet als doppeltwirkender Heifrjasmotor, wobei
der kolbenförmige Körper mit der einen Endfläche das Volumen eines einen Teil eines ersten Arbeitsraumes bildenden Expansionsraumes mit im Betrieb
höherer mittlerer Temperatur beeinflußt und mit der anderen Endfläche das Volumen eines einen Teil
eines zweiten Arbeitsraumes bildenden Kompressionsraumes mit im Betrieb niedrigerer mittlerer
Temperatur beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich das Dichtungselement (48 bis 51),
das den Zwischenraum (52 bis 55) vom Kompressionsraum (27 bis 30) des zweiten Arbeitsraumes
trennt, mit der zugehörenden Rille als Rückschlagventil ausgebildet ist.
3. Heißgaskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil in
Richtung vom Zwischenraum (52 bis 55) zum Kompressionsraum (27 bis 30) öffnet.
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