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DE102025002003A1 - Gearbox for realizing discontinuous piston movement in hot gas engines based on the Stirling principle - Google Patents

Gearbox for realizing discontinuous piston movement in hot gas engines based on the Stirling principle

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Publication number
DE102025002003A1
DE102025002003A1 DE102025002003.1A DE102025002003A DE102025002003A1 DE 102025002003 A1 DE102025002003 A1 DE 102025002003A1 DE 102025002003 A DE102025002003 A DE 102025002003A DE 102025002003 A1 DE102025002003 A1 DE 102025002003A1
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DE
Germany
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gear
stirling
ratchet mechanism
piston
driver
Prior art date
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DE102025002003.1A
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German (de)
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gleich Anmelder Erfinder
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Forster Ernst Ulrich
Original Assignee
Forster Ernst Ulrich
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/32—Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups
    • 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
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H21/00—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides
    • F16H21/10—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane
    • F16H21/16—Gearings comprising primarily only links or levers, with or without slides all movement being in, or parallel to, a single plane for interconverting rotary motion and reciprocating motion
    • F16H21/18—Crank gearings; Eccentric gearings

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

Vorgestellt wird ein Rastgetriebe zur Verwendung in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip um einen diskontinuierlichen Bewegungsablauf der Kolben zu bewirken.
Die hier vorgeschlagene Lösung verwendet ein Rastgetriebe (Rast = Pause) um aus einer kontinuierlichen Bewegung (Rotation) eine diskontinuierliche Bewegung (Translation) mit Stillstandsphasen zu erzeugen und dadurch den realen Bewegungsablauf in der Maschine dem idealen Stirlingprozess anzunähern.
Ziel der Erfindung ist es, dadurch den Wirkungsgrad im Arbeitsprozess der Maschine zu verbessern.
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Phasen erfolgen auch hier nicht abrupt, das heißt, es entstehen immer noch kleine Verzögerungs- und Beschleunigungsphasen in den Übergängen, was aber als wünschenswert angesehen werden muss, da es auf Grund der Massenträgheit unvermeidlich ist Übergänge zu schaffen. Als besonders vorteilhaft darf die direkte Umsetzung in eine Linearbewegung angesehen werden.
Rastgetriebe dieser Art sind bekannt und z.B. in der „Kinematik ebener Planetengetriebe“ von U. Trempler, HTW Dresden, dargestellt. Als Neuheit wird hier die Verwendung eines Rastgetriebes in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip beansprucht.
In dem feststehenden Innenzahnkranz (1), Abb. 3, läuft das Zahnrad (2), angetrieben durch den Exzenter (5) an der Maschinenwelle (4). Fest verbunden mit dem Zahnrad ist der Hebel (3), mit dem Mitnehmer (6), der in den Schlitz der (hier angehobenen) Kurbelschlaufe (7) greift und die in geeigneten Lagern geführte Kolbenstange (8) linear verschiebt. Bzw. umgekehrt, die Kolbenstange treibt über die Kurbelschlaufe, den Mitnehmer und den Hebel das Zahnrad an, welches über den Exzenter die Maschinenwelle antreibt. Das Zahnverhältnis zwischen dem Innenzahnkranz und dem Zahnrad beträgt 4 : 3.
A ratchet mechanism for use in hot gas engines based on the Stirling principle is presented to effect a discontinuous movement of the pistons.
The solution proposed here uses a ratchet mechanism (ratchet = pause) to generate a discontinuous movement (translation) with standstill phases from a continuous movement (rotation) and thereby approximate the actual motion sequence in the machine to the ideal Stirling process.
The aim of the invention is to improve the efficiency in the machine's working process.
The transitions between the different phases are not abrupt here either; that is, small deceleration and acceleration phases still occur during the transitions, which must be considered desirable since transitions are unavoidable due to inertia. The direct conversion into linear motion can be considered particularly advantageous.
Detent gears of this type are known and are described, for example, in the "Kinematics of Planar Planetary Gears" by U. Trempler, HTW Dresden. The novelty claimed here is the use of a detent gear in hot gas engines based on the Stirling principle.
The gear (2) runs in the stationary internal gear ring (1), Fig. 3, driven by the eccentric (5) on the machine shaft (4). The lever (3), with its driver (6), is rigidly connected to the gear. The driver engages in the slot of the (here raised) crank loop (7) and linearly displaces the piston rod (8), which is guided in suitable bearings. Conversely, the piston rod drives the gear via the crank loop, the driver, and the lever, which in turn drives the machine shaft via the eccentric. The tooth ratio between the internal gear ring and the gear is 4:3.

Description

Vorgestellt wird ein Rastgetriebe zur Verwendung in Heißgasmaschinen nach dem Stirlingprinzip um einen diskontinuierlichen Bewegungsablauf der Kolben zu bewirken. Als Heißgasmaschine nach dem Stirlingprinzip wird hier in diesem Zusammenhang jede Maschine bezeichnet, die unter Anwendung des Stirlingprozesses als Motor, als Wärmepumpe oder als Kältemaschine arbeitet, hier auch einfach Stirlingmaschine genannt. Ebenso wird hier dazu auch die Vuilleumier-Wärmepumpe gezählt.This document presents a ratchet mechanism for use in Stirling-type hot gas engines to achieve a discontinuous piston movement. In this context, a Stirling-type hot gas engine refers to any machine that operates using the Stirling process as a motor, heat pump, or refrigeration unit; here, it is also simply called a Stirling engine. The Vuilleumier heat pump is also included in this definition.

Bisher wurden Stirlingmaschinen aus nachvollziehbaren praktischen Gründen nahezu ausschließlich entweder mit Kurbeltrieben oder als Freischwinger ausgebildet. Dabei folgen die Kolben in ihrer Bewegung mehr oder weniger exakt einer Sinusschwingung. Die im Stirlingprozess streng voneinander getrennten Phasen ( ), sind so nicht zu erreichen. Um sich der Abfolge der vier Phasen des Stirlingprozesses anzunähern, wird konstruktiv ein spezifischer Phasenwinkel zwischen Verdränger- und Arbeitskolben eingefügt. Dies führt zu der bekannten Rundung des Kurvenverlaufes im p-v-Diagramm ( ). Da die von den Kurven umschlossene Fläche direkt die umgesetzte Leistung darstellt, zeigen sie anschaulich die an dieser Stelle noch vorhandenen Reserven an Arbeitsleistung und Effektivität. Ziel der Erfindung ist es diese Ressourcen bestmöglich zu nutzen.Until now, Stirling engines have been designed almost exclusively with either crank drives or as free-swinging engines for understandable practical reasons. In these designs, the pistons follow a sinusoidal oscillation more or less exactly. The phases in the Stirling process are strictly separated from one another ( ), are not achievable in this way. To approximate the sequence of the four phases of the Stirling process, a specific phase angle is structurally introduced between the displacer and working pistons. This leads to the well-known rounding of the curve in the pv diagram ( Since the area enclosed by the curves directly represents the power output, they clearly illustrate the remaining reserves of work performance and efficiency at that point. The aim of the invention is to utilize these resources in the best possible way.

Es hat bisher Versuche gegeben, dieses Problem durch Kurvengetriebe anzugehen, nur offensichtlich ohne bisher zu einer befriedigenden Lösung geführt zu haben.There have been attempts to address this problem using cam gears, but these have obviously not yet led to a satisfactory solution.

Die hier vorgeschlagene Lösung verwendet ein Rastgetriebe (Rast = Pause) um aus einer kontinuierlichen Bewegung (Rotation) eine diskontinuierliche Bewegung (Translation) mit Stillstandsphasen zu erzeugen und dadurch den realen Bewegungsablauf in der Maschine dem idealen Stirlingprozess anzunähern.The solution proposed here uses a ratchet mechanism (ratchet = pause) to generate a discontinuous movement (translation) with standstill phases from a continuous movement (rotation) and thereby approximate the actual motion sequence in the machine to the ideal Stirling process.

Die Übergänge zwischen den verschiedenen Phasen erfolgen auch hier nicht abrupt, das heißt, es entstehen immer noch kleine Verzögerungs- und Beschleunigungsphasen in den Übergängen, was aber als wünschenswert angesehen werden muss, da es auf Grund der Massenträgheit unvermeidlich ist Übergänge zu schaffen. Als besonders vorteilhaft darf die direkte Umsetzung in eine Linearbewegung angesehen werden.The transitions between the different phases are not abrupt here either; that is, small deceleration and acceleration phases still occur during the transitions, which must be considered desirable since transitions are unavoidable due to inertia. The direct conversion into linear motion can be considered particularly advantageous.

Rastgetriebe dieser Art sind bekannt und z.B. in der „Kinematik ebener Planetengetriebe“ von U. Trempler, HTW Dresden, dargestellt. Als Neuheit wird hier ihre Verwendung in Stirlingmaschinen beansprucht.Detent gears of this type are known and are described, for example, in the "Kinematics of Planar Planetary Gears" by U. Trempler, HTW Dresden. Their use in Stirling engines is claimed here as a novelty.

Das hier vorgestellte Getriebe ist vorwiegend geeignet für Stirlingmaschinen in γ-Konfiguration. Eine Verwendung für Stirlingmaschinen in β-Konfiguration ist ebenfalls möglich. Für Stirlingmaschinen in α-Konfiguration, auch Ridermotor genannt, ist dieses Getriebe nicht anwendbar.The gearbox presented here is primarily suitable for Stirling engines in a gamma configuration. It can also be used for Stirling engines in a beta configuration. This gearbox is not applicable to Stirling engines in an axiom configuration, also known as rider motors.

Von diesem Getriebe sind zwei verschiedene Untertypen möglich. Ein Untertyp mit einer unmittelbaren 1 : 3 Übersetzung und der andere mit einer 1 : 1 Übersetzung. Übersetzung bezeichnet hier die Anzahl der Umdrehungen der Maschinenwelle pro Stirlingzyklus.Two different subtypes of this gearbox are possible. One subtype with a direct 1:3 gear ratio and the other with a 1:1 gear ratio. Gear ratio here refers to the number of revolutions of the machine shaft per Stirling cycle.

Für den Arbeitskolben und den Verdrängerkolben ist im Normalfall jeweils ein eigenes Getriebe erforderlich. Beim γ-Stirling ist es aber auch möglich, durch Anordnung der Zylinder in 90° Stellung, den gleichen Bewegungsablauf mit nur einem Getriebe zu erreichen, . Auf dem verlängerten Mitnehmer (6) laufen die Kurbelschlaufen (7) bzw. (7B) hintereinander und in um 90° zueinander gedrehter Bewegungsrichtung. Dadurch werden die beiden Kolbenstangen sequenziell angetrieben. Diese Möglichkeit besteht für beide Untertypen des Getriebes.Normally, a separate gearbox is required for the working piston and the displacer piston. However, in the gamma Stirling engine, it is also possible to achieve the same motion sequence with only one gearbox by arranging the cylinders at a 90° angle. On the extended driver (6), the crank loops (7) and (7B) run one behind the other and in a direction of movement rotated by 90° relative to each other. This drives the two piston rods sequentially. This option is available for both subtypes of the gearbox.

Für eine möglichst gute Nachbildung des Stirlingzyklus, haben die Exzenter auf der Maschinenwelle einen Phasenwinkel von 90° zueinander und die Richtung des Winkels legt die Drehrichtung der Maschinenwelle fest.To achieve the best possible simulation of the Stirling cycle, the eccentrics on the machine shaft have a phase angle of 90° to each other, and the direction of the angle determines the direction of rotation of the machine shaft.

1.1 Getriebe mit 1 : 3 Übersetzung1.1 Gearbox with 1:3 ratio

In dem feststehenden Innenzahnkranz (1), , läuft das Zahnrad (2), angetrieben durch den Exzenter (5) an der Maschinenwelle (4). Fest verbunden mit dem Zahnrad ist der Hebel (3), mit dem Mitnehmer (6), der in den Schlitz der (hier angehobenen) Kurbelschlaufe (7) greift und die in geeigneten Lagern geführte Kolbenstange (8) linear verschiebt. Bzw. umgekehrt, die Kolbenstange treibt über die Kurbelschlaufe, den Mitnehmer und den Hebel das Zahnrad an, welches über den Exzenter die Maschinenwelle antreibt. Das Zahnverhältnis zwischen dem Innenzahnkranz und dem Zahnrad beträgt 4 : 3.In the fixed inner gear ring (1), The gear (2), driven by the eccentric (5), runs on the machine shaft (4). The lever (3), with its driver (6), is rigidly connected to the gear. The driver engages in the slot of the (here raised) crank loop (7) and linearly displaces the piston rod (8), which is guided in suitable bearings. Conversely, the piston rod drives the gear via the crank loop, the driver, and the lever, which in turn drives the machine shaft via the eccentric. The tooth ratio between the internal gear ring and the gear is 4:3.

1.2 Der Bewegungsablauf1.2 The movement sequence

Ausgehend von der Position A in , dreht sich die Maschinenwelle (4) mit dem Exzenter (5) über Position B zur Position C. Dabei wird die Maschinenwelle zweimal um 135° gedreht. Das Zahnrad, welches auf dem Exzenter drehbar gelagert ist, rollt in dem Innenzahnkranz (1) ab und sein Eingriffspunkt wandert synchron mit dem Exzenter von A* über B* nach C*. Der Hebel (3) mit dem Mitnehmer (6) bewegt sich dabei von A** über B** nach C**, das sind 90°. Der komplette und kontinuierliche Pfad des Mitnehmers durch einen vollen Zyklus ist durch die Kurve (9) dargestellt. Die Maschinenwelle muss demnach für einen vollen Zyklus des Stirlingprozesses 4 x 270° = 3 Umdrehungen vollziehen.Starting from position A in The machine shaft (4) rotates with the eccentric (5) from position B to position C. In doing so, the machine shaft is rotated twice by 135°. The gear, which is rotatably mounted on the eccentric, rolls in the internal gear ring (1), and its point of engagement moves synchronously with the eccentric from A* via B* to C*. The lever (3) with the driver (6) moves from A** via B** to C**, a distance of 90°. The complete and continuous The path of the drive element through a full cycle is shown by curve (9). The machine shaft must therefore complete 4 x 270° = 3 revolutions for one full cycle of the Stirling process.

1.3 Entstehung der Bewegungspause1.3 Origin of the movement break

Die Übertragung der Bewegung des Mitnehmers auf die Kolbenstange erfolgt durch die Kurbelschlaufe (7), ( ). Im Verlaufe der Bewegung des Mitnehmers (6) von A nach B auf der Bewegungskurve (9), muss die in der Linearführung (10) geführte Kolbenstange (8) mit der Kurbelschlaufe (7) dem Mitnehmer folgen. Auf dem Weg von B nach C kann sie hingegen weitgehend bewegungslos stehen bleiben. Auf dem Weg von C nach D und von D zurück nach A wiederholt sich der Vorgang in entgegengesetzter Richtung bezogen auf die Kolbenstange. Da diese Wege mit gleichen Drehwinkeln an der Maschinenwelle verbunden sind, ergeben sich auch für diese Phasen gleiche Zeiten.The movement of the driver is transmitted to the piston rod via the crank loop (7), ( During the movement of the driver (6) from A to B along the motion curve (9), the piston rod (8), guided in the linear guide (10), must follow the driver with the crank loop (7). On the path from B to C, however, it can remain largely stationary. On the path from C to D and from D back to A, the process is repeated in the opposite direction with respect to the piston rod. Since these paths are associated with the same angles of rotation on the machine shaft, the times for these phases are also the same.

2.1 Getriebe mit 1 : 1 Übersetzung2.1 Gearbox with 1:1 ratio

Das Getriebe mit 1 : 1 Übersetzung ist in analog zu dargestellt. Der Unterschied besteht in einer Reduzierung der Zähne des Zahnrades (2) auf 1/4 der Anzahl des Innenzahnkranzes (1), der daraus resultierenden Änderung des Exzenters (5) und einer Verkürzung des Hebels für den Mitnehmer, der nun innerhalb des Radius des Zahnrades liegt und nicht dargestellt ist.The gearbox with a 1:1 ratio is in analogous to The difference consists of a reduction of the teeth of the gear (2) to 1/4 of the number of the inner gear ring (1), the resulting change of the eccentric (5) and a shortening of the lever for the driver, which now lies within the radius of the gear and is not shown.

2.2 Der Bewegungsablauf2.2 The movement sequence

Auch hier, in , wieder die Drehung der Maschinenwelle (4) mit dem Exzenter (5) von Position A über B nach C. Im Verlaufe der Viertelumdrehung der Maschinenwelle bewegt sich der Mitnehmer (6) ein Viertel des Weges auf dem Bewegungspfad (9). Es ergibt sich hier also ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1.Here too, in The rotation of the machine shaft (4) with the eccentric (5) from position A via B to C takes place again. During the quarter turn of the machine shaft, the driver (6) moves a quarter of the way along the path of motion (9). This results in a transmission ratio of 1:1.

Claims (9)

Rastgetriebe zur Verwendung in einer Heißgasmaschine nach dem Stirlingprinzip in β- oder γ-Konfiguration oder in einer Vuilleumier-Wärmepumpe, zur Umsetzung des Stirlingzyklus als Motor, als Wärmepumpe oder als Kältemaschine, hier zusammengefasst Stirlingmaschine genannt, mit jeweils 2 Rastpositionen und 2 Bewegungsphasen pro Kolben, gleichmäßig über den Zyklus verteilt, zur Bewegungssteuerung der Kolben, bestehend aus: 1.1 einem radialsymmetrisch um die Maschinenwelle feststehenden Innenzahnkranz mit einem innen umlaufenden solitären Planetenrad im Zahnverhältnis entweder 4 : 3 oder 4 : 1, 1.2 einem an der Maschinenwelle befindlichen Exzenter, welcher das Planetenrad über dessen Achse antreibt, bzw. vom Planetenrad angetrieben wird, 1.3 einem axial ausgerichteten Mitnehmer in geeignetem radialen Abstand von der Drehachse des Planetenrades, welcher fest mit demselben verbundenen ist, 1.4 einer durch eine geeignete Linearführung geführten Kolbenstange, verbundenen mit einer Kurbelschlaufe, in welche der Mitnehmer eingreift.Detent gear for use in a hot gas engine based on the Stirling principle in β or γ configuration or in a Vuilleumier heat pump, for implementing the Stirling cycle as a motor, heat pump, or refrigeration machine, hereinafter collectively referred to as a Stirling engine, with two detent positions and two movement phases per piston, evenly distributed over the cycle, for controlling the piston movement, consisting of: 1.1 an internal gear ring fixed radially symmetrically around the machine shaft with an internally rotating, solitary planet gear in a tooth ratio of either 4:3 or 4:1, 1.2 an eccentric located on the machine shaft, which drives the planet gear via its axis, or is driven by the planet gear, 1.3 an axially aligned driver at a suitable radial distance from the axis of rotation of the planet gear, which is rigidly connected to it, 1.4 a piston rod guided by a suitable linear guide, connected to a crank loop into which the driver engages. Rastgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verwendung in der Stirlingmaschine sowohl der Verdrängerkolben, als auch der Arbeitskolben jeweils ein eigenes Getriebe haben.Ratchet mechanism Claim 1 , characterized in that for use in the Stirling engine both the displacer piston and the working piston each have their own gearbox. Rastgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verwendung in einer γ-Stirlingmaschine mit Zylinderanordnung in 90° Position, ein einzelnes Getriebe mit verlängertem Mitnehmer der in 2 um 90° gegeneinander gedrehte Kurbelschlaufen greift ausreichend ist.Ratchet mechanism Claim 1 , characterized in that for use in a γ-Stirling machine with cylinder arrangement in 90° position, a single gear with extended driver engages in 2 crank loops rotated 90° relative to each other is sufficient. Rastgetriebe nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Option nach Anspruch 3 für beide Untertypen der Getriebe zutrifft.Ratchet mechanism Claim 1 and 3 , characterized by the fact that the option after Claim 3 This applies to both subtypes of transmissions. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben abwechselnd jeweils zwischen den einzelnen Bewegungsphasen gleichlange Bewegungspausen einlegen.Ratchet mechanism Claim 1 , 2 , 3 and 4 , characterized in that in the Stirling engine the displacer piston and the working piston alternately take pauses of equal length between the individual phases of movement. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben sich alternierend bewegen.Ratchet mechanism Claim 1 , 2 , 3 , 4 and 5 characterized in that in the Stirling engine the displacer piston and the working piston move alternately. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirlingmaschine die Exzenter an der Maschinenwelle für Verdrängerkolben und Arbeitskolben um 90° gegeneinander verdreht sind.Ratchet mechanism Claim 1 , 2 , 5 and 6 , characterized in that in the Stirling engine the eccentrics on the machine shaft for displacer pistons and working pistons are rotated 90° relative to each other. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vuilleumier-Wärmepumpe die beiden Kolben analog zu Arbeitskolben und Verdrängerkolben in der Stirlingmaschine behandelt werden.Ratchet mechanism Claim 1 , 2 , 3 , 4 , 5 and 6 , characterized in that in the Vuilleumier heat pump the two pistons are treated analogously to the working piston and displacer piston in the Stirling engine. Rastgetriebe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf ein spiegelsymmetrisch zur Ebene der Kurbelschlaufe und durch einen verbindenden, gemeinsamen Mitnehmer gekoppeltes zusätzliches Getriebe, eine axiale Fortführung der Maschinenwelle mit Kraftaus-/einleitung ermöglicht.Ratchet mechanism Claim 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 and 7 , characterized in that, if required, an additional gear unit is coupled in a mirror-symmetrical manner to the plane of the crank loop and by a connecting, common driver, This enables axial continuation of the machine shaft with force input/output.
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