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the so called double double U
Engine
which can use Solar Collectors for Heatsource at Low to Medium
Temperatures.
You may ask Yourself if You have seen Fig. 1 how is this complicated engine come from? If You are not familiar with the working principles of Stirling engines, please first switch to the chapter how do Stirling engines work.
I will now explain the history of the " double double U " engine. The new engines base is the well known 2 cylinder 2 piston a - type V-engine with the expansion cylinder "H1" and the compression cylinder "K1" . Their pistons move misaligned to each other by a d = 90.0 degrees phase shift angle.
Now imagine, You like to have both cylinders horizontal; then You must have 2 crank gears, one for cylinder H1 and its piston and one for cylinder K1 and its piston. Design these 2 crank gears as crank slots, the so called "scotch-yoke" to have pure sinusodial movement. It can be arranged in this way:
Make one more change: Let a liquid be before the pistons and bow the cylinders into vertical, a gas cushion is above the liquid. In each cylinders head is a nozzle for irrigating the gas with liquid, and in each cylinders bottom is a reflux for the liquid. This irrigation now performs an optimal heatransfer to the gas. See the chapter Heat transmission in the complete report. The heatexchangers now are extern to the engine, e.g. solar collectors. The liquid must be driven by a pump. The regenerator becomes a long tube. See the left sketch below.
This 2 cylinder engine with "H1" - "K1" is
improved by allowing the pistons to act on their backside as well. As
the pistons are surrounded by a liquid, which reaches into the vertical
standing cylinders with the gas cushion above this liquid,
this improvement leads to the U-pipe arrangement with the 2 cylinder
pairs H1-K1 and H2-K2 now as a double acting engine. See the right
setch above.
The connecting lines from "H1" to "K1" and from
"H2" to "K2" are the regenerators, which are
constructed here as pipes coaxially installed inside each other, that
additionally allows them acting as counterflow heat exchangers.
The 90 degree phase shift between expansion and compression movement can
be used for a further constructional improvement, by adding cylinders K4
and K3 on an extension of piston rod for H1 and H2 at crank gear KU1 and
adding cylinders H3 and H4 on an extension of piston rod for K1 and K2 at
crank gear KU2. Before doing the last adding, put K1-K2 on the right side
of KU2. So You will have all the hot cylinders on left side of the
crank gears and the cold cylinders on the right side of the crank gears.
Thus four individual engines are achieved: H1-K1, H2-K2, H3-K3 and
H4-K4 on no more than 2 crank gears; now the new engine is complete, it
is a twice double acting engine now.
Legend of this drawing:
KW = crankshaft with flywheel, KU1= lower crankgear, KU2= upper crankgear,
M = clutch
H1 : Expansion cylinder, K1 : Compression cylinder of 1'st partial engine
H2 : Expansion cylinder, K2 : Compression cylinder of 2'nd partial engine
H3 : Expansion cylinder, K3 : Compression cylinder of 3'nd partial engine
H4 : Expansion cylinder, K4 : Compression cylinder of 4'nd partial engine
WH1 - WH4 : external heatexchangers for the hot cylinders H1 - H4
WK1 - WK4 : external cooler for the cold cylinders K1 - K4
RC regulator-cylinder (only sketched here for the cold cylinders K4 and K3). For detailed information see the sector Power Control in the site: Report of the engine.
The crank gears "KU1" and "KU2" are connected
rigidly during operation by the clutch "M" . Only during the
engine's idle position, for liquid and gas filling both crank gears are
disconnected and have the same postion of
j = -90 degrees (relative
to the position of "KU1" shown above).
Starting the engine from the idle position requires a
stretcher of the clutch "M" , with the help of which the 90 degrees
cycle angle of phase shift between the two crank gears is adjusted.
4 working cycles are performed per revolution of the crank gears. Starting from crank angle position j = 0 degrees (The piston in H1 is in the upper dead center as it is illustrated in the figure below left) these working cycles within the individual engines take place every 90 degrees crank angle in the sequence of "H4-K4" - "H1-K1" - "H3-K3" - "H2-K2".
The next picture shows a 3D-model of this twice double acting engine. All cylinders and the cylinderheads of H1 and K1 are made transparent, so You can see the pistons and the spray-nozzle within the cylinderheads. For a better overwiev the external hot and cold heatexchangers WH1 - WH4 and WK1 - WK4 are not shown here.
Have also a look to the animation of the engine.
Detailed information and results from computer simulation You will find
in the complete report .
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Sie mögen sich fragen, nachdem Sie die Skizze Fig. 1 gesehen haben, wie ist diese doch recht kompliziert anzuschauende Maschine entstanden. Wenn Sie noch nicht vertraut sind mit der Wirkungsweise von Stirlingmotoren, empfehle ich Ihnen, sich zuvor das Kapitel " Wie arbeitet der Stirlingmotor" anzusehen.
Folgende Hinweise zur Erklärung des neuen 4-fach wirkenden Stirlingmotors:
Basis und Ausgangspunkt dieser neuen Maschine ist der allseits
bekannte V- 160 Stirlingmotor vom
a - Typ.
mit seinem Expansionszylinder "H1" und dem Kompressionszylinder
"K1". Die Kolben dieser Maschine bewegen sich um einen
Phasenversatzwinkel von
d = 90 Grad verschoben,
weil die beiden Zylinder um 90 Grad versetzt auf dem Kurbelgehäuse
angeordnet sind, und ihre Kolben von einem Pleuelstangen
Kurbeltrieb bewegt werden.
Nun stelle man sich vor, man möchte beide Zylinder horizontal ausgerichtet haben. Dann müssen 2 Kurbeltriebe eingerichtet werden, je ein Kurbeltrieb für Zylinder H1 mit seinem Kolben und ein zweiter für Zylinder K1 mit seinem Kolben. Diese 2 Kurbeltriebe sollen nun als Kurbelschleifentriebe ausgebildet sein, um eine reine sinusförmige Kolbenbewegung zu bekommen. So entsteht aus der V 160 Maschine folgende Maschine:
Nun wird eine weitere Veränderung durchgeführt: Die Kolben sollen eine
Flüssigkeit vor sich her bewegen, dazu werden die Zylinder verlängert
und im gleichen Durchmesser vertikal nach oben gebogen. Über dem
Flüssigkeitsspiegel befindet sich nun das eigentliche Arbeitsgas der
Maschine. In jedem Zylinderkopf wird eine Düse zur Beregnung des
Gases mit der Flüssigkeit eingebaut, in der Krümmung des
Zylinderrohres ist unten ein Ausflussstutzen montiert, an dem eine
angeschlossene Pumpe die Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher -z.B.
ein Sonnenkollektor bzw ein Kühler- weiter zur Düse in den
Zylinderkopf transportiert.
Diese Art der Wärmeübertragung ist das Besondere dieser Maschine.
Siehe dazu auch das Kapitel Wärmeübergang
des kompletten Berichtes über die Maschine.
Diese 2 Zylinder Maschine mit den Arbeitszylindern "H1" - "
K1" kann dadurch verbessert werden, dass man sie doppelt wirkend
macht, indem man die Kolben auch auf ihrer Rückseite mit der
Flüssigkeit beaufschlagt. Diese Verbesserung führt zu der U-Rohr
Anordnung der Zylinder. Es sind nunmehr 2 Teilmaschinen in der U-Rohr
Anordnung vorhanden mit jeweils 2 zusammenwirkenden Zylinderpaaren
H1-K1 und H2-K2. Siehe die Skizze rechts.
Die Verbindungsleitungen zwischen "H1" zu "K1" und von
"H2" zu "K2" sind die Regeneratoren, die hier als
koaxial ineinanderliegende Kupferrohre ausgebildet sind. Somit dienen
diese Regeneratoren beiden Teilmaschinen zusätzlich als Gegenstrom
Wärmeaustauscher.
Der 90 Grad Phasenversatz zwischen Expansions- und Kompressionsbewegung
kann nun zu einer weiteren konstruktiven Verbesserung genutzt werden,
indem 2 weitere Teilmaschinen hinzugefügt werden. Es werden die
Zylinder K4 und K3 auf der verlängerten Kolbenstange von H1 und H2 am
Kurbeltrieb KU1 und weiter die Zylinders H3 und H4 auf der verlängerten
Kolbenstange von K1 and K2 am Kurbeltrieb KU2 dazugeschaltet. (Zuvor wird
das U-Rohr mit K1-K2 auf die rechte Seite des Kurbeltriebs KU2 gelegt,
dadurch hat man den konstruktiven Vorteil, alle kalten Zylinder links und
alle heissen Zylinder auf der rechten Seite der Kurbelwelle zu haben.
Jetzt sind 4 Teilmaschinen auf nur 2 Kurbeltrieben entstanden:
H1-K1, H2-K2, H3-K3 und H4-K4;
Es bedeuten in dieser Skizze:
KW = Kurbelwelle mit Schwungrad, KU1= unterer Kurbeltrieb, KU2= oberer Kurbeltrieb,
M = Mitnehmerkupplung
H1 : Expansionszylinder, K1 : Kompressionszylinder der 1. Teilmaschine
H2 : Expansionszylinder, K2 : Kompressionszylinder der 2. Teilmaschine
H3 : Expansionszylinder, K3 : Kompressionszylinder der 3. Teilmaschine
H4 : Expansionszylinder, K4 : Kompressionszylinder der 4. Teilmaschine
WH1 - WH4 : externe Wärmetauscher für die heissen Zylinder H1 - H4
WK1 - WK4 : externe Kühler für die kalten Zylinder K1 - K4
RC Regelungs Zylinder (hier nur für die kalten Zylinder K4 und K3
skizziert)
Detailierte Information über die Regelung finden Sie im Abschnitt
Regelung der Maschine im
Bericht über die Maschine.
Während des Betriebes sind die 2 Kurbeltriebe "KU1" und "
KU2" über die Kupplung "M" fest miteinander verbunden. Nur
im Ruhezustand oder zum Flüssigkeit- und Gaseinfüllen sind die beiden
Kurbeltriebe entkoppelt dabei haben beide die Winkelposition von
j = -90 Grad (bezogen
auf die Position von "KU1" oben in der Skizze.) Alle Kolben
befinden sich dann in der Mitte des horizontalen Zylinders jeder U-Rohr
Anordnung.
Der Start der Maschine aus dieser Ruheposition erfordert die
Spannung der Kupplung "M" , um den 90 Grad Phasenversatz
einzustellen.
Die neue Maschine ist nunmehr komplett, sie ist eine 2 mal doppelt wirkende Maschine. 4 Arbeitszyklen pro Umdrehung der Kurbelwelle werden erreicht. Start sei die Kurbelwinkel Position bei j = 0 Grad, siehe das Bild unten links. Dabei befindet sich der Kolben in H1 im oberen Totpunkt. Die 4 Arbeitszyklen finden alle 90 Grad nacheinander in den einzelnen Teilmaschinen statt in der Reihenfolge: "H4-K4" - "H1-K1" - "H3-K3" - "H2-K2".
Das folgende Bild zeigt ein 3D-Modell der kompletten Maschine. Alle 4 Zylinder sowie die Zylinderköpfe von H1 und K1 sind durchsichtig dargestellt, sodaß die Kolben und die Düsenplatte in den Zylinderköpfen sichtbar werden. Die externen Wärmetauscher WH1 - WH4 und WK1 - WK4 sind der Übersicht halber weggelassen worden.
Sehen Sie sich auch den Bewegungsablauf der Maschine an.
Detailiertere Information sowie Ergebnisse der Computer Simulation sind
dem vollständigen Bericht zu entnehmen.
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