<Desc/Clms Page number 1>
Schnellaufender Freikolbengenerator
Die gegenständliche Erfindung betrifft einen schnellaufenden Freikolbengenerator mit aneinandergrenzenden Einheiten von Arbeitszylindern mit Ein- bzw. Ausströmschlitzen für Spülluft bzw. Abgas und einem Kompressorzylinder mit Saug-und Druckventilen, wobei aneinanderstossende Einheiten je einen Arbeitszylinder gemeinsam haben.
Die bisher bekannten Freikolbengeneratoren weisen infolge ihrer ungenUtzten Rückwurfräume und der niedrigen Arbeitsfrequenz eine sehr geringe Leistungsdichte auf. Anderseits ist es bei normalen Verbrennungsmotoren mit Kurbelwelle nur auf Kosten der Lebensdauer der Lager möglich, die Drehzahl zu erhöhen.
Erfindungsgemäss wird die Schaffung eines Freikolbengenerators angestrebt, der die Vorteile der bisherigen Freikolbengeneratoren mit dem Vorteil einer sehr hohen Arbeitsfrequenz und damit einer grossen Leistungsdichte aufweist. Zur Erreichung dieser angestrebten Ziele weist der erfindungsgemässe Freikolbengeneratordas Kennzeichen auf, dass eine gerade Anzahl von aus je zwei Arbeitszylindern, einem Kompressorzylinder und einem Stufenkolben bestehenden Einheiten entweder in Flucht miteinander oder zu einem in sich geschlossenen System, vorzugsweise zu einem (insbesondere regelmässigen) Zn-Eck (z. B. Viereck, Sechseck), vereinigt sind, wobei mit Hilfe von festen Kupplungen (z.
B. Steuerstangen) bewirkt wird, dass jeweils die Kolben aller geradzahligen und die Kolben aller ungeradzahligen Einheiten untereinander gleichsinnige Bewegungen ausführen.
Da hiebei der Kolben jeder Einheit von beiden Seiten mittels Arbeitstakten angetrieben wird, ist es möglich, diesem Kolben eine sehr hohe Geschwindigkeit zu verleihen, da diese Geschwindigkeit, die gleichbedeutend mit der Arbeitsfrequenz ist, durch ein stärkeres Aufladen der einzelnen Arbeitszylinder bzw. durch eine Verkleinerung der bewegten Masse auf sehr grosse Werte erhöht werden kann.
Beider Anordnung der Einheiten zu einem in sich geschlossenen System ergeben sich als weitere Vorteile ein vollkommener Massenausgleich - die wichtigste Voraussetzung für erschütterungsfreies Arbeitenund lauter gleichartige Arbeitszylinder mit je zwei in Gagentakt arbeitenden Kolben, so dass Schwierigkeiten wegen einer unterschiedlichen Charakteristik des Anfangs- und Endzylinders, z. B. infolge ungünstiger Spülverhältnisse, wie sie bei der linearen Anordnung auftreten können, vermieden werden.
Die Führung der angesaugten Luft erfolgt bei dem erfindungsgemässen Freikolbengenerator in der Weise, dass die Luft nach einem zweckmässigerweise vorgesehenen Vorkomprimieren den Saugventilen des Kompressorzylinders zugeführt und von diesem Kompressorzylinder über die Druckventile einem Druckraum zugeleitet wird, von dem aus sie über die Ein- bzw. Aasströ : nschlitze der Arbeitszylinder zum Spülen der Arbeitszylinder mit anschliessendem Treiben einer Turbine od. dgl. dient. Die tatsächliche zur Verfügung stehende Arbeitsleistung wird hiebei von der durch die komprimierte Luft angetriebenen Turbine od. dgl. erzielt und kann von dieser Turbine über an sich bekannte Teile zum Antrieb von Geräten, Fahrzeugen od. dgl. oder für sonstige Zwecke verwendet werden.
Durch die angegebene Luftführung wird erreicht, dass sämtliche Räume hintereinander am durchflie- ssendenLuftstrom beteiligt sind, so dass durch Rückwirkung über diesen Luftstrom ein automatisches Anpassen der gesamten Maschineneinheit an die jeweilige Belastung erzielbar ist. Dies wird weiter unten noch näher erläutert werden.
EMI1.1
eine gemeinsame Achse für die Gesamtmaschine ergibt, in der Wellen angeordnet werden können, die mit den einzelnen Stufenkolben verbunden sind. Hiebei ist es besonders vorteilhaft, die einzelnen Kompressor-
<Desc/Clms Page number 2>
zylinder so gross auszubilden, dass sie sich in der Mitte zu einem Raum ergänzen, und daher miteinander in Verbindung stehen.
Falls der erfindungsgemässe Freikolbengenerator für den Antrieb eines Fahrzeuges od. dgl. verwandet werden soll, ist es gemäss einer Weiterbildung der Erfindung äusserst zweckmässig, diesen Freikolbengenera- tor an einen Vorkompressor anzuschliessen und gegebenenfalls über einen Nachbrenner mit einer Arbeit- turbine sowie daran anschliessend einer Nachturbine zu verbinden. Die Nachturbine dient hiebei zum An- trieb des Vorkompressors, der z. B. als Schaufelkompressor ausgebildet sein kann. Die eigentliche Antriebs- energie für das Kraftfahrzeug od. dgl. wird hiebei von der Hauptturbine geliefert.
Weitere Merkmale und Einzelheitender Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Beschreibungs- teil und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, ohne dass die
Erfindung hierauf beschränkt sein soll.
Fig. 1 zeigt schematisch die Ausbildung eines erfindungsgemässen Freikolbengenerators, dargestellt als
Einheit einer mehrere Einzelgeneratoren umfassenden Maschine ; Fig. 2 zeigt eine solche aus vier Einhei- ten bestehende Maschine ; Fig. 3 schematisch eine andere Anordnung dar einzelnen Einheiten ; Fig. 4 eine spezielle Ausbildung der in Fig. 3 nur schematisch angedeuteten Ausbildungsart ; Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V derFig. 4j Fig. 6 eineSynchronisationseinrichtUngfürdie in Fig. 4 dargestellte Maschine und
Fig. 7 schematisch die Anordnung eines erfindungsgemässen Freikolbengenerators, wenn dieser zum Antrieb von Kraftfahrzeugen od. dgl. verwendet wird.
In Fig. 1 sind die beiden Arbeitszylinder mit 1 und 2 bezeichnet und der zwischen diesen beiden Ar- beitszylindern vorgesehene Kompressorzylinder mit 3. Es ist aus der Zeichnung ersichtlich, dass dieser
Kompressorzylinder grösser als die Arbeitszylindsr l und 2 bemessen ist. Dementsprechend weist der Stu- fenkolben 4 zwei gegenüberliegende Enden 5 und 6 auf, welche die Arbeitskolben für die Arbeitszylinder
1 und 2 bilden und einen dem Kompressorzylinder 3 angepassten vergrösserten Mittelteil 7, der im fol- genden als Kompressorkolben bezeichnet wird. Zwecks Komprimierung der zugeführten Luft weist der
Kompressorzylinder Saugventile 8 und Diuckventile 9 auf.
Die Saugventile 8 dienen für das Ansaugen der Luft über Zuführungsleitungen 10, wobei diese Zuführungsleitungen 10 entweder von einem Vorkompressor od. dgl. kommen können oder auch direkt die Luft ansaugen können. Entsprechend der jeweiligen Bows- gung des Kompressorkolbens 7 ist entweder das linke Saugventil 8 und das rechte Druckventil 9 oder aber das rechte Saugventil 8 und das linke Druckventil 9 offen, so dass der Kompressor bei jedem Arbeitshub sowohl saugt als auch komprimiert. Die komptimiarte Lutt gelangt durch die Druckventile S in Druckleitungen 11 und hieran anschliessend in einen Druckbehälter (Reserveraum) 12. Von diesem Druckbehälter 12 führt eine Leitung 13 zu den Einströmschlitzen 14, die z. B. im Arbeitszylinder 1 angeordnet sein können.
Da die in Fig. 1 dargestellte Anordnung als Einheit einer mehrere Einheiten umfassenden Maschine gezeichnet ist, ist es nicht notwendig, sowohl beim Arbeitszylinder 1 als auch beim Arbeitszylinder 2 Einströmschlitze und Aasströmschlitze anzuordnen, da die Spülung entsprechend den eingezeichneten Pfeilen derart erfolgt, dass die komprimiarte Luft bei den Einströmschlitzen 14 des Arbeitszylinders 1 einströmt und bei den Ausströmschlitzen 15 des Arbeitszylinders 2 der Nachbareinheit wieder ausströmt, so dass also eine sehr gute Spülung der Zylinder je zweier Einheiten erzielt wird. Die bei den Ausströmschlitzen 15 ausströmende Luft gelangt über eine Leitung 16 zu einer Turbine, die als eigentliches Antriebsaggregat dient.
Das Anschliessen eines weiteren Zylinders der Nachbareinheit an den Arbeitszylinder 1 bzw. an den Arbeitszylinder 2 ist in Fig. 1 dadurch angedeutet, dass diese Zylinder nicht abgeschlossen, sondern nur mit einer strichlierten Linie abgeteilt dargestellt sind.
Dieses Zusammenfügen von benachbarten Einheiten ist deutlich aus Fig. 2 zu erkennen, in der eine aus den vier Einheiten 18, 19, 20 und 21 bestehende Maschine dargestellt ist. Hiebei sind die aneinanderstossenden Arbeitszylinder von je zwei benachbarten Einheiten jeweils zu einem gemeinsamen Zylinder 22 vereinigt, der zwischen den Kompressorzylindern zweier benachbarter Einheiten angeordnet ist. Nur an den beiden Enden sind die Arbeitszylinder von einer Einheit als solche abgeschlossen, wobei jedoch, wie aus der Zeichnung deutlich zu ersehen sein dürfte, die Böden der entsprechenden Kolben 24 und 25 nicht mehr eben, sondern in an sich bekannter Weise mit einem Strömungsprofil versehen ausgebildet sind.
Die Spülung dieser beiden Endzylinder erfolgt gleichfalls in etwas anderer Weise als die der gemeinsamen Zylinder 22, da bei den beiden Endzylindern ein Durchspülen, wie es bei den Zylindern 22 angewandt wird, nicht möglichist. Die Endzylinder werden in an sich bekannter Weise dadurch gespült, dass zwei sich diametral gegenüberliegende Einströmschlitze und gegenüber diesen Schlitzen um 90 verdreht zwei sich diametral gegenüberliegende Ausströmschlitze vorgesehen werden, so dass eine sogenannte"Kreuzspülung" gegeben ist. Diese Spülung ist bei Zweitaktmotoren bekannt und wird hier vorteilhaft angewandt.
Durch das Vorsehen von Einström- bzw. Ausströmschlitzen in den einzelnen Zylindern ist die An-
<Desc/Clms Page number 3>
wendung des Dieselmotor-Prinzips bereits gegeben, d. h. dass in die komprimierte Luft der Brennstoff ein- gespritzt wird. Die hiezu nötigen Einspritzdüsen sind in den Zeichnungen nur durch schematische Pfeile
17 angedeutet.
Die Anwendung des Dieselmotor-Prinzips weist bei dem erfindungsgemässen Freikolben- generator gegenüber der Anwendung von elektrischer Zündung unter Verwendung eines Treibstoff-Luftge- misches den Vorteil auf, dass kein Selbstzünden und dadurch kein Klopfen auftreten kann, was bei Ver- wendung eines Treibstoff-Luftgemisches mitsamt elektrischer Zündung nicht der Fall ist, da die Kompres- sion bei dem erfindungsgemässen Gegentakt-Freikolbengenerator sehr unbestimmt ist, d. h. dass sie je nach der Belastung verschieden grosse Werte annehmen kann.
Bezüglich der Abbremsung des Stufenkolbens wurde bereits bemerkt, dass diese im wesentlichen durch das Komprimieren der in den Arbeitszylindern nach dar Spülung verbleibenden Luft erfolgt. Sollte dieses
Abbremsen jedoch aus irgendeinem Grunde nicht genügen, so ist es selbstverständlich möglich, die Druck- bzw. Saugventile des Kompressorzylinders 3 an einen Schlitzrand 8a zu verlegen, der in Fig. 1 nur sche- matischangedeutetist, in welchem Falle dann ein Restraum 3a verbleiben würde, der analog den bei den bisherigen Freikolbengeneratoren angewendeten Rückwurfräumen wirken würde. Dieser Raum 3a ist in Fig. 1 beim Kompressorzylinder 3 rechts oben angedeutet, wobei auch die Stellung des Kompressorkolbens in je- ner Lage 7a strichpunktiert angedeutet ist, ab welcher Lage dieser Raum 3a als Rückwurfraum seine Wirkung auszuüben beginnt.
Diese Anordnung ist jedoch wie gesagt keineswegs erforderlich und wird höchstens bei extremen Anwendungen des erfindungsgemässen Gegentakt-Freikolbengenerators erforderlich sein.
Zu der in Fig. 2 dargestellten Maschineneinheit, die aus mehreren linear hintereinander angeordneten Einheiten besteht, wobei die beiden Endeinheiten auf einer Seite einen mit einem Sirömungsprofil versehenen Kolben aufweisen, wäre noch zu bemerken, dass durch die unsymmetrische Ausbildung der beiden
Endeinheiten, diese eine andere Charakteristik aufweisen, als die mittleren Einheiten. Um nun jedoch für die Gesamtmaschine eine einheitliche Charakteristik zu erzielen, ist es vorteilhaft, wie dies in Fig. 2 auch angedeutet ist, die einzelnen Kolben mittels Steuerstangen 23 zu verbinden, so dass die Bewegungen dar einzelnen Kolben zueinander synchronisiert werden.
Die Anordnung dieser Steuerstangen 23 erfolgt hiebei in der Weise, dass diese zentrisch symmetrisch zu den einzelnen Stufenkolben angeordnet werden, so dass keine Biegebeanspruchungen od. dgl. auf die einzelnen Kolben einwirken. Solche Biegebeanspruchungen od. dgl. könnten nämlich zu einseitigem und ungleichmässigem Abnützen der einzelnen Kolben führen, was selbstverständlich keineswegs erwünscht ist.
In Fig. 3 ist die Anordnung von vier Einheiten zu einem in sich geschlossenen Ring veranschaulicht, wobei diese nur ganz schematisch angedeuteten Einheiten mit 26,27, 28 und 29 bezeichnet sind. Die Lage der Kolben in diesen einzelnen Einheiten ist hiebei derart, dass je an zwei gegenüberliegenden Ecken der etwa quadratisch ausgebildeten Maschine zugleich eine Einspritzung erfolgt, während hieran anschliessend beim nächsten Arbeitstakt die Einspritzung an den beiden andern gegenüberliegenden Ecken erfolgt. Es dürfte ersichtlich sein, dass auch mehr als vier Einheiten zu einem in sich geschlossenen Ring vereinigt werden könne, wobei jedoch die Bedingung auftritt, dass die Gesamtzahl der Einheiten gerade ist, so dass also anstatt der dargestellten viereckigen Ausbildung auchsechseckige, achteckige u. dgl. in Frage kommen.
In Fig. 4 ist eine ganz spezielle Ausbildung einer in Fig. 3 nur schematisch dargestellten Maschine veranschaulicht, die vier torusförmige Stufenkolben und eine n Ringform aufweisenden torusförmigen Hauptzylinder besitzt. Dieser Hauptzylinder unterteilt sich in vier Arbeitszylinder und vier Kompressorzylinder, wobei jeder Arbeitszylinder als gemeinsamer Zylinder zweier nebeneinanderliegender Einheiten ausgebil- dar ist, d. h., dass er von einer Einheit den Arbeitszylinder 1 und zugleich von der benachbarten Einheit den Arbeitszylinder 2 bildet.
Die einzelnen Kompressorzylinder 3 der vier Einheiten 30, 31, 32 und 33 sind auf der Innenseite bis ins Zentrum des gesamten Ringes vereinigt und die Kompressorkolben sind in diesem Zentrum zu einer Zentralachse zusammengezogen u. zw. in der Weise, dass je zwei gegenüberliegende Kompressorkolben starr miteinander verbunden sind, so dass sich die so entstehenden beiden Kolbenpaare scharnierartig durchsetzen. Diese scharnierartige Durchsetzung ist insbesondere aus Fig. 5 ersichtlich, die einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4 darstellt. Aus dieser Figur ist zu ersehen, dass der Kompressorkolben 7 der Einheit 31 mit der Achse 35 und der Kompressorkolben 7 der Einheit 32 mit der Achse 36 verbunden ist, wobei die Achse 36 von der Achse 3. 5 durchsetzt wird und diese beiden Achsen daher gegeneinander verdrehbar sind.
Es ist hiebei selbstverständlich notwendig, dass der Kolben 7 der Einheit 31 gegenüber der Achse 36 und der Kolben 7 der Einheit 32 gegenüber der Achse 35 abgedichtet ist. Diese Abdichtungen sind in Fig. 5 schematisch durch die verstärkten Linien 38 angedeutet. Selbstverständlich sind die einzelnen Kolben 7 auch gegenüber dem Kompressorzylinder abgedichtet, was durch die starken Linien 37 schematisch angedeutet ist. Zu den Abdichtungen 38 ist zu bemerken, dass diese vorteilhafterwei-
<Desc/Clms Page number 4>
se durch ein besonders zähflüssiges Öl erzielt werden können. Jedoch ist auch die Verwendung von Kunst- stoff dichtungen möglich, da die Druckwerte an diesen Stellen nicht allzu gross sind. Diese Kunststoffdich- tungen würden den Vorteil mit sich bringen, dass sie selbstschmierend ausgebildet werden können.
Die in den Fig. 4 und 5 nicht angegebene Anordnung der Druck- und Saugventile 8 und 9 kann selbstverständlich entsprechend dem inFig. l dargesiellienMnzip erfolgen. Die Einström-und Ausströmschlitze sind in Fig. 4 strichliert mit 14 und 15 angedeutet und es ist hieraus auch zu ersehen, dass bei sämtlichen Einheiten eine Durchspülung von einem Einströmschlitz zu einem Ausströmschlitz erfolgt, d. h., dass kein einziger Kolbenboden ein besonderes Strömungsprofil aufweisen muss. Ein Vorteil, der nicht nur bei dieser speziellen Ausbildung, sondern auch ganz allgemein von zu einem Ring vereinigten Einheiten gegeben ist. Da wegen der fest angeordneten Einspritzdüsen 17 eine symmetrische Bewegung der einzelnen Stufenkolben gewünscht wird, wird vorteilhafterweise eine Synchronisationseinrichtung zur Erzielung der Bewegung verwendet.
Diese Synchronisationseinrichtung kann z. B. wie in Fig. 6 dargestellt ausgebildet werden, indem auf den beiden Achsen 35 und 36 Hebel 39 und 40 angeordnet werden, die mit Gelenken 41 und 42 versehen sind. Diese Gelenke41 und 42 bewegen sich in Schlittenführungen 43 und 44, dieihrerseitsüberArme 45 mitdenineinerFührung 47 beweglichen Gleitklötzen 46 verbunden sind. Durch diese Führung 47 wird erreicht, dass sich die beiden Hebel 39 und 40 symmetrisch herunterbzw. hinaufbewegenundda diese Hebel mit den Achsen 35 bzw.
36 starr verbunden sind, dass sich auch die Stufenkolben der einzelnen Einheiten symmetrisch bewegen.
Wenn der erfindungsgemässe Gegentakt-Freikolbengeneratorals Antriebsmaschine für ein Fahrzeug od. dgl. verwendet werden soll, so wird zweckmässigerweise die in Fig. 7 dargestellte Anordnung verwendet.
In dieser Figur bedeutet 48 einen Vorkompressor, z. B. einen Schaufelkompressor, 49 den erfindungsgemässen Freikolbengenerator, 50 einen gegebenenfalls vorgesehenen Nachbrenner, 51 eine Turbine und 52 eine Nachturbine. Die Brennstoffzuleitungen zum Freikolbengenerator sowie zu dem eventuell vorgesehenen Nachbrenner sind mir 53 angedeutet, wogegen der Wsg der Luft durch die Pfeile 54 angedeutet wird.
55 stellt eine mechanische Verbindung zwischen der Nachturbine 52 und dem Kompressor 48 dar und 56 bezeichnet eine Kraftübertragung, welche die von der Turbine 51. gelieferte Energie zu den eigentlichen Antriebsmitteln, z. B. den Rädern eines Kraftfahrzeuges od. dgl. überträgt. Selbstverständlich kann auf die Anordnung einer Nachturbine 52 verzichtet werden und der Kompressor 48 kann dann direkt von der Turbine 51 angetrieben werden.
Bezüglich der Arbeitsfrequenz des erfindungsgemässen Freikolbengenerators wird bemerkt, dass diese Frequenz im wesentlichen von dem Verhältnis des Druckes in den Arbeitszylindern zu der Masse des Stufenkolbens bestimmt wird, d. h. also, dass diese Arbeitsfrequenz bei höheren Arbeitsdrücken sowie bei geringerer Masse des Stufenkolbens höher wird.
Während nun bei den herkömmlichen Freikolbengenerato- ren die Rückwurfräume in keiner Beziehung zum sonstigen Betriebszustand der Maschine stehen, ist dies beimerfindungsgemässenGegentakt-Freikolbengeneratorwegender Vermeidung von Rückwurfräumen nicht der Fall, sondern es treten umgekehrt sogar folgende Wirkungen auf, die eine halbautomatische Regelung der Arbeitsfrequenz bedingen :
Die Beschleunigung des Stufenkolbens in beiden Richtungen erfolgt durch den Explosionsdruck, der einerseits mit der Menge des eingespritzten Brennstoffes und anderseits mit dem vor der Kompression im Arbeitszylinder herrschenden Druck steigt.
Dar vor der Kompression im Arbeitszylinder herrschende Druck ist aber umso grösser, je grösser die an den Ausströmschlitzen 15 herrschende Belastung ist, d. h. also, dass bei Vergrösserung der Belastung an der Turbine 51 über den Luftstrom von dem Freikolbengenerator 49 zu der Turbine 51 ein Rückstau erfolgt und die Durchspülung der Arbeitszylinder mit Luft höheren Druckes erfolgt, so dass also auch nach der Spülung in den Arbeitszylindern Luft mit höherem Druck zurückbleibt.
Bsl der Anordnung nach Fig. 7 ergibt sich eine weitere Selbstregelung auch dadurch, dass in diesem Falle auch die von der Nachturbine 52 abgegebene Leistung steigt, was durch Erhöhung der Menge des einge- ; pritzten Treibstoffes sowie eventuellen Betrieb des Nachbrenners noch verstärkt werden kann. Diese vergrössere Leistung der Nachturbine 52 bewirkt aber nun ihrerseits einen verstärkten Antrieb des Kompressors 18, so dass die dem Kompressorzylinder 3 zugeführte Luft einen grösseren Anfangsdruck aufweist, wodurch ebenfalls wieder ein höherer Druck im Arbeitszylinder und damit eine höhere Betriebsfrequenz erzielt wird. Bei dem erfindungsgemässen Freikolbengenerator ergibt sich also, dass im Falle einer Erhöhung der Belastung sich ganz automatisch auch die Frequenz des Freikolbengenerators und damit die abgebbare Leitung erhöht.