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WO2001012970A1 - Heissgasmotor mit ineinander laufenden kolben - Google Patents

Heissgasmotor mit ineinander laufenden kolben Download PDF

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WO2001012970A1
WO2001012970A1 PCT/DE2000/002756 DE0002756W WO0112970A1 WO 2001012970 A1 WO2001012970 A1 WO 2001012970A1 DE 0002756 W DE0002756 W DE 0002756W WO 0112970 A1 WO0112970 A1 WO 0112970A1
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Andreas Gimsa
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    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/45—Piston rods

Definitions

  • the present invention represents a novel hot gas engine with two movable pistons, in which one of the two pistons runs in the interior of the other and thus the outer piston is simultaneously the cylinder of the inner piston and the stroke range of the inner piston is centered or approximately centered in the stroke range of the outer piston maintains (delta type)
  • This system can be nested as required, combined, simple and double-acting to manufacture, because of the symmetry, free-piston versions are particularly inexpensive to perform, since it is structurally simple to generate an electromagnetic alternating field that can be tapped to the outside or to allow the outer cylinders to oscillate, are perfect dense hot gas motors can be realized, which drive machines, vehicles or generators directly via the movable cylinders.
  • ring-shaped or other types of permanent magnets or coils can be integrated in each of the oscillating piston rods alternating voltages can then be induced in the outer containment tube
  • At least two nested pairs of an outer and an inner piston which are firmly connected in series, offer immense advantages over all previous Stirhng motors with their crosswise coupling, especially if the chaining is done via at least one hollow piston rod a simple system with 2 identical work cycles can be built up.
  • These pairs can be designed particularly well as free-piston engines, since the phase offset can be set in a defined manner via the distance between the outer cylinders and can also be regulated when the load changes by means of a spring preload that can be changed from the outside Double-acting double-acting systems can be produced very compactly.
  • a double motor only consists of 3 main assemblies, 2 of which are movable. The two pneumatically separated gas spaces make it possible to work with two different gases as well as coupling processes with internal and external combustion in one engine
  • Phase displacement of free piston systems can be defined and regulated. Complete tightness in free piston systems or oscillating cylinders. Complete mass compensation with mutual coupling of piston pairs with 180 degree phase displacement. Free piston springs can all be on the cold engine side

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Abstract

Die Erfindung ist ein Heissgasmotor mit beweglichen Aussen- und Innenkolben, bei dem einer der beiden Kolben im Innenraum des anderen läuft und damit der äussere Kolben gleichzeitig Zylinder des inneren Kolbens ist und der Hubbereich des inneren Kolbens mittig oder annähernd mittig im Hubbereich des äusseren Kolbens liegt.

Description

Heißgasmotor mit ineinander laufenden Kolben
Beschreibung
Ein Heißgasmotor, bei dem ein Arbeitskolben innerhalb eines Verdrangers lauft, der gleichzeitig Arbeitszylinder ist, wurde erstmals in der Patentschrift DE 199 38 023 offenbart Die Patentschrift US 1 128 860 offenbart eine anscheinend ähnliche Anordnung, nur bewegt sich bei diesem Patent ein Arbeitskolben nicht direkt im Verdranger, sondern in einer mit ihm verbundenen beweglichen Hülse Die Kühlung des Arbeitsgases ist konstruktiv schwierig und durch die notwendige zusätzliche Warmeleitung in der beweglichen Hülse eingeschränkt Durch den allseitig geschlossenen Verdrangeraufsatz ist das System nicht verschachtelbar Ein weiterer Nachteil ist die große Baulange des Motors, die sich durch den Verdrangeraufsatz ergibt
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuartigen Heißgasmotor mit zwei beweglichen Kolben dar, bei dem einer der beiden Kolben im Innenraum des anderen lauft und damit der äußere Kolben gleichzeitig Zylinder des inneren Kolbens ist und der Hubbereich des inneren Kolbens mittig oder annähernd mittig im Hubbereich des äußeren Kolbens hegt (Delta- Typ) Dieses System ist beliebig verschachtelbar, kombinierbar, einfach- und doppeltwirkend herzustellen Symmetriebedingt sind Freikolbenvarianten besonders gunstig auszufuhren Da konstruktiv einfach die Möglichkeit besteht, ein nach außen abgreifbares elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen oder die äußeren Zylinder oszillieren zu lassen, sind vollkommen dichte Heißgasmotoren realisierbar, die über die beweglichen Zylinder direkt Maschinen , Fahrzeuge oder Generatoren antreiben Beispielsweise kann man in jede der oszillierenden Kolbenstangen ringförmige oder anders geartete Permanentmagnete oder Spulen integrieren In den Spulen des äußeren Umschließungsrohres können dann Wechsel-Spannungen induziert werden
Mindestens zwei ineinander verschachtelte Paare je eines äußeren und eines inneren Kolbens, die in Reihe fest miteinander verbunden sind, bieten bei ihrer kreuzweisen Umschließungs-Kopplung immense Vorteile gegenüber allen bisherigen Stirhng-Motoren Insbesondere dann, wenn die Verkettung über mindestens eine hohle Kolbenstange geschieht Es laßt sich ein einfaches System mit 2 identischen Arbeitszyklen aufbauen Solche Paare lassen sich besonders gut als Freikolbenmotoren ausfuhren, da der Phasenversatz über den Abstand der äußeren Zylinder definiert einstellbar und bei Lastwechseln über eine von außen anderbare Federvorspannung auch regelbar ist Dadurch, daß ein Umschließungs-Kolben 4 Arbeitsseiten haben kann, sind zweifach doppeltwirkende Systeme sehr kompakt herzustellen So ein Doppel-Motor besteht lediglich aus 3 Hauptbaugruppen, von denen 2 beweglich sind Durch die beiden pneumatisch getrennten Gasraume besteht die Möglichkeit, mit zwei verschiedenen Gasen zu arbeiten sowie Prozesse mit interner und externer Verbrennung in einem Motor zu koppeln
Vorteile gegenüber bisherigen Konstruktionen Konstruktiv einfacher Aufbau
Hohe massen- und volumenbezogene Energiedichte (Wegfall eines Zylinders, als doppeltwirkendes System sehr kompakt)
Bei oszillierenden Zylindern gute Wärmeübergänge durch hohe Reynoldszahlen an Kuhler, Erhitzer und im Regenerator
Phasenversatz von Freikolbensystemen definiert einstell- und regelbar Vollständige Dichtigkeit bei Freikolbensystemen oder oszillierenden Zylindern Vollständiger Massenausgleich bei wechselseitiger Kopplung von Kolbenpaaren mit 180 Grad Phasenversatz, Freikolbenfedern können alle auf der kalten Motorseite liegen Einfacher Anschluß von Lineargeneratoren im Verbindungsglied zweier Kolbenpaare

Claims

Patentansprüche
1 Heißgasmotor mit beweglichen Außen- und Innenkolben, bei dem einer der beiden Kolben im Innenraum des anderen lauft und damit der äußere Kolben gleichzeitig Zylinder des inneren Kolbens ist und der Hubbereich des inneren Kolbens mittig oder annähernd mittig im Hubbereich des äußeren Kolbens liegt
2 Heißgasmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Arbeitskolben im Verdranger lauft Dabei kann der Phasenversatz und die Arbeitsentnahme sowohl über einen Kurbeltrieb als auch mittels Freikolbensystem, bei dem der äußere hohle Kolben am inneren Zylindergehause mindestens einseitig als Freikolben aufgehängt wird und bei dem der innere Kolben mindestens einseitig von innen am äußeren Kolben als Freikolben aufgehängt wird, erreicht werden
3 Heißgasmotor nach Anspruch 1 mit mindestens 2 beweglichen Einheiten aus jeweils einem hohlem Außenkolben und einem Innenkolben, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Innenraum des herausragenden Kolbenstangenendes des ersten Innenkolbens zu einem ersten Außenkolben aufgeweitet ist (oder mit dem Innenraum eines hohlen Außenkolbens fest verbunden ist) Dieser erste Außenkolben enthalt wiederum einen zweiten Innenkolben, dessen Kolbenstange mit dem zweiten Außenkolben, der den ersten Innenkolben umschließt, fest verbunden ist und in der hohlen Kolbenstange des ersten Innenkolbens lauft Es besteht also eine wechselseitige Umhüllung der Außenkolben mindestens zweier Paare hintereinander liegender, fest gekoppelter Einheiten aus Innenkolben und Außenkolben Beide hohlen Außenkolben oszillieren in je einem druckdichten Zylindergehause Beide Gehäuse sind über ein druckdichtes Rohr, das die beiden Kolbenstangen umschließt, fest verbunden Heißgasmotor nach Anspruch 1 , 2 und 3 mit mindestens 2 beweglichen Einheiten aus jeweils hohlem Verdranger und Arbeitskolben, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Innenraum des herausragenden Kolbenstangenendes des ersten Arbeitskolbens zu einem ersten Verdranger aufgeweitet ist Dieser erste Verdranger enthalt wiederum einen zweiten Arbeitskolben, dessen Kolbenstange mit dem zweiten Verdranger der den ersten Arbeitskolben umschließt, fest verbunden ist und in der hohlen Kolbenstange des ersten Arbeitskolbens lauft Es besteht also eine wechselseitige Umhüllung der Verdranger mindestens zweier Paare hintereinander liegender, fest gekoppelter Einheiten aus Arbeitskolben und Verdranger sowie ein Druckverbund des über die hohle Kolbenstange gebildeten gemeinsamen Volumens beider Verdranger
5 Heißgasmotor nach Anspruch 1 und 3 mit mindestens 2 beweglichen Einheiten eines äußeren und eines inneren Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß eine paarweise Verbindung der 4 druckdichten Hohlräume einer Kolbeneinheit über Offnungen in der Kolbenwand des äußeren Kolbens besteht, so daß keine aneinander grenzenden Hohlräume verbunden werden Außerdem besteht eine äußere wechselseitige Verbindung zweier Einheiten über Regeneratoren für ein zweifach doppeltwirkendes System mit 2 identischen Arbeitsgaszyklen
6 Heißgasmotor nach Anspruch 1 , 3, 4 und 5 mit mindestens 2 beweglichen Einheiten eines äußeren und eines inneren Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange des inneren Kolbens als Steg fest mit dem druckdichten Zylindergehause des äußeren Kolbens verbunden ist und den inneren Kolben im Zentrum des Zylindergehauses fixiert Der äußere Kolben kann sich frei innerhalb seines Zylinders, der gleichzeitig auch sein innerer Kolben ist, bewegen Genauso kann das Zylindergehause beweglich sein Dabei ist die eine Seite des äußeren Kolbens geschlossen und die andere Seite umschließt den Steg des inneren Kolbens druckdicht
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