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Gegenstand des Stammpatentes Nr. 313000 ist eine Freikolbenmaschine mit einem Arbeitszylinder, einer beweglichen Kolbenanordnung mit einem Arbeitskolben, welcher in dem Arbeitszylinder zwischen einer gewünschten normalen inneren Umkehrlage und einer gewünschten äusseren Umkehrlage frei beweglich ist, und bei der einem Arbeitshub in Richtung der äusseren Umkehrlage unmittelbar ein Kompressionshub in der entgegengesetzten Richtung zur inneren Kolbenumkehrlage folgt, und mit einer die Verbrennung einleitenden Einrichtung zur Zündung der Verbrennung im Arbeitszylinder zur Bewegung des Arbeitskolbens in einer Richtung bei jedem aufeinanderfolgenden Arbeitshub, mit einem zwei relativ zueinander bewegliche Glieder enthaltenden und auf deren Relativbewegung ansprechenden Fühler zur Erzeugung eines die Relativbewegung darstellenden,
jedoch von der relativen Lage dieser Glieder unabhängigen, veränderlichen Abfühlsignales, wobei eines dieser Glieder in Wirkverbindung mit dem Arbeitskolben steht, das andere Glied hingegen eine vom Arbeitskolben unabhängige Lage einnimmt, ferner mit einer mit dem Fühler verbundenen und auf das Abfuhlsignal ansprechenden Steuereinrichtung, welche einen vorbestimmten Zustand einnimmt, wenn sich der Wert des Abfühlsignales infolge der Verlangsamung der Arbeitskolbenbewegung am Ende des Kompressionshubes um ein vorbestimmtes Ausmass ändert, und schliesslich mit einer Verbindung zwischen dieser Steuereinrichtung und der Einrichtung zur Einleitung der Zündung, um diese wirksam werden zu lassen, wenn die Steuereinrichtung den vorbestimmten Zustand einnimmt, so dass die letztgenannte Einrichtung zu einem Zeitpunkt zündet, der in einer vorbestimmten,
gewünschten Beziehung zum Zeitpunkt der Kolbenumkehr am Ende jedes Kompressionshubes steht, jedoch unabhängig von der jeweiligen Länge des Kolbenhubes ist.
Ziel des Gegenstandes des Stammpatentes war eine Zündeinrichtung für Freikolbenmaschinen zu schaffen, mit der nach jedem Kompressionshub sicher eine Zündung herbeigeführt werden kann, u. zw. unabhängig davon, ob der Arbeitskolben längs seines Weges im Arbeitszylinder eine bestimmte Stellung erreicht, um sicherzustellen, dass die Zündung immer im günstigsten Zeitpunkt erfolgt und somit die Verbrennungsenergie am wirkungsvollsten ausgenutzt wird, und um anderseits sicher zu vermeiden, dass die Maschine nach einer Fehlzündung oder einem Zündungsausfall stehenbleibt. Die Maschine verliert bei einem Zündungsausfall nur vorübergehend an Leistung und arbeitet dann wieder mit voller Leistung weiter.
Die Maschine erreicht ihre volle Leistung nach nur wenigen Hüben, auch wenn unmittelbar nach einem Zündungsausfall die zur Verfügung stehende Energie geringer ist und der Arbeitskolben nur einen kürzeren Kompressionshub ausführt, da bei jedem Arbeitshub des Arbeitskolbens die Verbrennung in einem vom Umkehrzeitpunkt abhängigen Zeitpunkt gezündet wird. So wird unmittelbar bevor, gleichzeitig oder nach dem Zeitpunkt, zu dem der Arbeitskolben anhält und seine Bewegungsrichtung umkehrt, eine Verbrennung gezündet, unabhängig davon, in welcher Stellung er sich im Arbeitszylinder befindet. Durch diese Zündung wird die Verbrennungsenergie auf jeden Fall immer optimal in Bewegungsenergie umgesetzt, und die Maschine bleibt selbst bei gelegentlichem Zündungsausfall nicht stehen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Gegenstandes des Stammpatentes mit dem Ziele, die dort gestellte Aufgabe und die sich aus der allgemeinen Lösung ergebenden Vorteile mit elektrischen bzw. elektronischen Einrichtungen, unter Ausnützung derer Vorteile, wie rasche Reaktionsfähigkeit, hohe Betriebssicherheit, gute Überwachungs- und Wartungsmöglichkeit, u. dgl., zu verwirklichen.
Erfindungsgemäss ist die eingangs geschilderte Freikolbenmaschine gemäss dem Stammpatent Nr. 313000 dadurch gekennzeichnet, dass ein die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens im Umgebungsbereich des Kompressionshub-Umkehrpunktes in Form einer stetig verlaufenden Spannung wiedergebender elektrischer Messwertfühler vorgesehen ist, an dessen Signalausgang eine bei Auftreten eines eine vorbestimmte obere Schwellwertspannung überschreitenden Eingangssignales von einem ersten in einen zweiten Betriebszustand übergehende und bei einem nachfolgenden Absinken des Eingangssignales unter eine untere Schwellwertspannung in den ersten Betriebszustand zurückkehrende Kippschaltung angeschlossen ist,
wobei die bei der Rückkehr dieser Kippschaltung an ihrem Ausgang auftretende Spannungsänderung in an sich bekannter Weise für die Ansteuerung der Einrichtung zur Einleitung der Zündung ausgenutzt ist.
In der USA-Patentschrift Nr. 3, 386, 647 ist zwar schon eine elektrische Zündeinrichtung für eine Freikolbenmaschine beschrieben, bei der die Zündung jedoch zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Kolben einen vorbestimmten Abstand vom Zylinderkopf erreicht hat, also in Abhängigkeit von der Relativlage zwischen Kolben und Zylinder. Die Zündung wird im bekannten Fall unter ganz andern Bedingungen ausgelöst, wie im Falle der Erfindung ; die bekannte Schaltung unterscheidet sich in ihrer endgültigen Wirkung nicht von bisher üblichen Zündanordnungen bei Freikolbenmaschinen, und kann sohin nicht die vorstehend und im Stammpatent geschilderten Vorteile der Erfindung erbringen.
Auch eine durch die deutsche Patentschrift Nr. 887431 bekannt gewordene Zündschaltung weist nicht die erfindungsgemässen Merkmale auf ; überdies ermöglicht es diese Schaltung nicht, den Zündzeitpunkt-wie bei der Erfindung-in eine bestimmbare Beziehung zum Umkehrzeitpunkt des Kolbens zu legen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine von einem Schmitt-Trigger gebildete Kippschaltung, und es weist der Messwertfühler einen mit dem Arbeitskolben verbundenen und sich parallel zur Kolbenachse erstreckenden Permanentmagnet und eine mit diesem magnetisch gekoppelte Messspule auf.
Wenn die Ausgangsspannung des Messfühlers den vorher eingestellten Ansprechwert bzw. die Schwellenspannung des Schmitt-Triggers übersteigt, so erzeugt dieser ein Ausgangssignal, das die restliche
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Schaltung zur Abgabe des Zündsignales vorbereitet. Fällt die Signalspannung des Messwertfühlers unter den eingestellten Ansprechwert des Schmitt-Triggers, so erzeugt er ein zweites Ausgangssignal, das einen gesteuerten Siliziumgleichrichter bzw. Thyristor einer herkömmlichen Kondensatorentladungs-Zündeinrichtung triggert und die Verbrennung einleitet.
Schliesslich sieht die Erfindung auch eine zusätzliche Einrichtung zur Unterstützung des Starts vor, die einen steuerbaren Schalter und einen Widerstand enthält, die in Reihe zueinander und parallel zu einem zweiten Widerstand geschaltet sind, so dass das Spannungsteilerverhältnis beim Schliessen des Schalters verringert wird, wobei der Schalter bei Normalbetrieb der Maschine geschlossen ist. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers ist mit dem Eingang des Schmitt-Triggers verbunden und durch den Schalter ist eine willkürliche Auslösung eines Zündimpulses möglich.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden noch aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung hervorgehen. Von den dabei verwendeten Zeichnungen zeigen : Fig. 1 die schematische Darstellung einer Freikolbenmaschine und der erfindungsgemässen elektrischen Zündschaltung mit einem durch die Maschine betätigten Geschwindigkeits-Messfühler, der das zur Zündung der Verbrennung verwendete elektrische Signal erzeugt, Fig. 1A eine vergrösserte Darstellung des Geschwindigkeits-Messfühlers der Fig. 1, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen elektrischen Schaltung, bei der das elektrische Signal des Geschwindigkeits-Messfühlers an einen Schmitt-Trigger geführt ist, Fig. 3 den Verlauf der Spannung zwischen den Klemmen--30 und 32--in der Schaltung nach Fig. 2, Fig.
4 den Verlauf der Spannung am Kollektor-76-des Transistors-72-in der Schaltung nach Fig. 2, Fig. 5 den Verlauf der Spannung am Kollektor-92--des Transistors--88-nach Fig. 2, Fig. 6 den Verlauf der Spannung am Verbindungspunkt--98--in der Schaltung nach Fig. 2, Fig. 7 die schematische Darstellung einer zusätzlichen elektrischen Schaltung, die zusammen mit der Schaltung der Fig. 2 zur Unterstützung des Starts einer Freikolbenmaschine verwendet werden kann, Fig. 8 die Darstellung eines in Fig. 7 schematisch gezeigten Schalters, die Fig. 9 bis 12 den Spannungsverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltung der Fig. 2, wenn sie zusammen mit der Schaltung der Fig. 7 verwendet wird, Fig. 13 die schematische Darstellung einer zusätzlichen elektrischen Schaltung, die zusammen mit den Schaltungen der Fig.
2 und 7 zur weiteren Unterstützung des Starts einer Freikolbenmaschine verwendet werden kann, Fig. 14 eine dem Signalerzeugungs- und -eingangsteil der Fig. 2 ähnliche Schaltung, jedoch mit einer bevorzugten Widerstands-Kondensator-und Diodenschaltung mit dem auf die Geschwindigkeit ansprechenden Messwertübertrager oder Messfühler zur Erzeugung des Eingangssignales für den Schmitt-Trigger ; Fig. 15 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Zündzeit von der Geschwindigkeit des Arbeitskolbens und den Mittelwert der Spannung am Kondensator der Fig. 14 während des Betriebes der Maschine, und Fig. 16 in einem Diagramm die Spannungsänderung am Kondensator während des Starts der Maschine aus dem Stillstand.
Die in Fig. 1 gezeigte Freikolbenmaschine --13-- enthält einen Arbeitskolben --14-- und einen Kompressorkolben--19--, die durch eine Kolbenstange--21--miteinander verbunden sind und gemeinsam
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--14-- istInduktionsmaschine vergleichbare Induktionsspule--20--fest angebracht. Die Induktionsspule--20-besteht aus gut leitendem Draht, der auf magnetisches Material verhältnismässig hoher Permeabilität und mit verhältnismässig geringen Hystereseverlusten gewickelt ist. An den Klemmen-30 und 32-der Spule wird ein elektrisches Signal abgegeben, das in noch zu beschreibender Weise der Schaltung der Fig. 2 zugeführt wird.
Die Schaltung der Fig. 2 führt einer herkömmlichen Zündkerze ein elektrisches Signal zu, um die Verbrennung in der Freikolbenmaschine--13--zu zünden. Da die Induktionsspule --20-- gegenüber dem Gehäuse der Freikolbenmaschine bei der Ausführungsform der Fig. 1 festliegt und der Magnet--15--mit dem Arbeitskolben --14-- beweglich ist, bewegen sich der Magnet--15--und die Induktionsspule--20-gegeneinander in der Freikolbenmaschine--13--hin und her.
Gemäss Fig. lA enthält der Permanentmagnet --15-- einen ersten und zweiten Pol-16 bzw. 17--, die
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hindurchgeht und an den an den beiden Seiten der Spule --28-- angebrachten Klemmen --30 und 32-eine Spannung induziert.
Der Magnet--15--und die Induktionsspule--20--bilden zusammen eine Mess-oder Fühleinrichtung für eine auf die Bewegung bezogene Kenngrösse. Sie erzeugen zusammen mit der erfindungsgemässen
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elektronischen Schaltung ein auf die Augenblicksgeschwindigkeit des Arbeitskolbens der Freikolbenmaschine bezogenes Signal. Die auf die Bewegung bezogene Kenngrösse, die zur Erzeugung eines Signales für die erfindungsgemässe Schaltung gemessen wird, kann auch auf die Beschleunigung des Freikolbens oder die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung eines andern mit diesem innerhalb der Maschine beweglichen Teil bezogen sein.
Die Kenngrösse kann ferner aus einem durch den Arbeitskolben in der Maschine erzeugten Druck, einem durch die Bewegung eines Kolbens in der Maschine erzeugten Flüssigkeits- oder Gasstrom, einer von einem durch die Freikolbenmaschine angetriebenen Generator abgegebenen Spannung oder einer andern Kenngrösse bestehen, die auf die Bewegung des Arbeitskolbens oder einer andern Masse innerhalb der Maschine bezogen ist.
Die auf die Bewegung bezogene Kenngrösse ist allgemein ein Parameter, der eine Anzeige der Bewegung des Freikolbens oder einer andern Masse innerhalb der Maschine, die mit dem Arbeitskolben beweglich ist, ergibt, im Gegensatz zu einer bestimmten linearen Stellung des Kolbens oder der andern Masse. Die auf die Bewegung bezogene Kenngrösse ist zu unterscheiden von einer Verschiebungs-Kenngrösse, die direkt die Stellung oder lineare Verschiebung des Freikolbens längs seines Weges anzeigt. Beispiele für derartige Verschiebungs-Kenngrössen sind die Verschiebung oder Stellung mechanisch mit einem beweglichen Kolben innerhalb einer Freikolbenmaschine verbundener Teile und die spezifische Verschiebung oder augenblickliche Lage eines Nockenstössels, der auf einer am beweglichen Kolben innerhalb der Maschine befestigten Nockenfläche läuft.
Eine derartige auf die Bewegung bezogene Kenngrösse wird zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignales verwendet, das auf einer auf die Umkehrzeit bezogenen Arbeitscharakteristik beruht, d. h., das eine vorherbestimmte Beziehung zu der Zeit aufweist, zu der der Arbeitskolben seinen Kompressionshub beendet und bereit ist, den Arbeitshub in der Gegenrichtung zu beginnen. An diesem Umkehrpunkt ist die Kolbengeschwindigkeit wenigstens vorübergehend gleich Null. Das auf die Umkehrzeit bezogene Signal wird so dazu verwendet, die Verbrennung zu einem Zeitpunkt einzuleiten, der in einer gewünschten Zeitbeziehung zu dem Augenblick steht, zu dem der Arbeitskolben seine Bewegungsrichtung umkehrt, u. zw. auch dann, wenn der Umkehrzeitpunkt von Hub zu Hub an unterschiedlichen linearen Stellungen des Arbeitskolbens auftritt.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist ein veränderlicher Widerstand--34--zwischen die Klemme - und einen Verbindungspunkt --36-- geschaltet. Ein Widerstand --38-- liegt zwischen dem Verbindungspunkt--36--und der Klemme--32--, die Bestandteil einer gemeinsamen Leitung der Schaltung und an Masse angeschlossen ist. Der veränderliche Widerstand --34-- und der Widerstand-38bilden zwei Bestandteile eines Spannungsteilers, dessen Ausgangsspannung an dem Verbindungspunkt--36-abgenommen wird.
Der Verbindungspunkt --36-- ist mit einem weiteren Verbindungspunkt--37--
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über einen Kollektorwiderstand-54-mit der Spannungseingangsklemme-42-verbunden. Der Emitter --56-- des Transistors--50--ist über einen Emitter-Vorspannungswiderstand--58-an die gemeinsame Leitung der Schaltung angeschlossen. Der Emitter--74--eines weiteren Transistors --72-- ist mit dem Emitter --56-- des Transistors --50-- und mit der einen Seite des Emitter-Vorspannungswiderstandes - verbunden.
Der Kollektor-76-des Transistors--72-ist über einen Kollektorwiderstand
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gemeinsame Leitung und sein Kollektor-92-über einen Kollektorwiderstand --94-- an die Spannungseingangsklemme-42-angeschlossen. Ein Kondensator --96-- verbindet den Kollektor --92-- des Transistors --88-- mit einem Verbindungspunkt-98-. Die Kathode einer Diode-100ist an den Verbindungspunkt --98-- angeschlossen, ihre Anode an die gemeinsame Leitung der Schaltung. Die Diode --100-- verhindert, dass die Spannung am Verbindungspunkt unter die Spannung der gemeinsamen Leitung absinkt.
Die Schaltung der Fig. 2 enthält zwei weitere Eingangsklemmen-102 und 104--, die einen
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-umsetzer --106-- mit--112-- angeschlossen, u. zw. mit seiner Anode an die Klemme --108-- und mit seiner Kathode an die Klemme --110--. Der Steueranschluss des Thyristors--112--ist mit dem Verbindungspunkt--98--
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Primärwicklung--118--einer Zündspule--120--angeschlossen.--120-- liegt ebenfalls an Masse, während die andere Seite--128--der Sekundärwicklung zur Zündkerze --29-- bzw. einer andern bekannten, die Verbrennung herbeiführenden Einrichtung der Freikolbenmaschine geführt ist.
Im Betrieb bewegt sich der Magnet--15--mit dem Arbeitskolben der Freikolbenmaschine dauernd hin und her. Die Induktionsspule--20--ist am Gehäuse der Freikolbenmaschine angrenzend an den hin- und
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--15-- derartMagnet--15--unter der Induktionsspule--20--hin-und hergeführt wird. Wenn die Arme--22 und 24-- über den Polen --16 und 17-liegen, so schliesst sich ein magnetischer Kreis vom Pol--17--über den Arm--24-, durch den Mittelteil-26--, durch den Arm --22-- zum Pol --16--.
Der genaue Abstand der Induktionsspule--20--vom Magneten--15--ist abhängig von der gewünschten Ausgangsspannung der Spule--28--. Bei grösseren Abständen sind jedoch Änderungen der magnetischen Polstärke bei verschiedenen Magneten ohne merkliche Änderungen der Ausgangsspannung möglich. Der Kern
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Spannung induziert wird.
Da die Flussänderung durch die Spule--28--proportional ist der Änderungsgeschwindigkeit der Überlappung zwischen den Polen --16 und 17--einerseits, den Armen-22 und 24--anderseits, ist die in der Spule--28--induzierte Spannung direkt proportional der Geschwindigkeit des Magneten--15--
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--28-- induzierten--16-. Je nach der relativen Geschwindigkeit des Magneten--15--und der Induktionsspule --20-- wird ein Spannungssprung bestimmter Amplitude in der Spule--28--induziert.
Zur Steuerung der Zündung der Verbrennung in der Freikolbenmaschine ist die Induktionsspule --20-- in der Nähe des Endes des Hubes des Arbeitskolbens angeordnet, d. h. in der Nähe des oberen oder inneren Totpunktes des Arbeitskolbens. Durch diese Anordnung wird die Erzeugung der gewünschten Signale sowohl am Ende eines Arbeitshubes normaler Länge als auch bei kürzeren Hüben gewährleistet, die während des Starts oder infolge eines Fehlzündung oder eines Zündaussetzers auftreten können.
In der Nähe des Endes des Arbeitskolbenhubes sinkt die in die Spule --28-- induzierte Spannung langsam vom anfänglichen positiven Wert des Sprunges auf Null und steigt in negativer Richtung, wenn der Arbeitskolben und damit der Magnet --15-- langsamer werden, anhalten und gegenüber der Spule-28ihre Bewegungsrichtung umkehren. Wenn sich die Pole-16 und 17-aus der Stellung unterhalb der Arme --22 und 24--herausbewegen, so tritt keine Flussänderung mehr ein und die in die Spule--28--induzierte Spannung fällt sprungartig auf Null.
Die von der Spule --28-- abgegebene Spannung, deren Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist, wird der
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2Transistor --50-- beginnt, leitend zu werden, so beginnt die Spannung zwischen dem Kollektor --52-- und dem Emitter--56--des Transistors--50--schnell auf die Kollektor-Emitter-Restspannung von etwa 0, 8 V (bei Siliziumtransistoren) abzufallen.
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Schmitt-Triggers--83--istWiderstandes--34--wird also der Zündzeitpunkt verzögert.
Umgekehrt liegt bei einem höheren Wert des Widerstandes --34-- ein geringerer Anteil der zwischen den Klemmen-30 und 32--liegenden Spannung am Widerstand--38--an, so dass der Transistor--50--zu einem früheren Zeitpunkt abgeschaltet wird. Durch Verringerung des Widerstandes --34-- tritt also die Zündung zu einem früheren Zeitpunkt auf. Die Zeitsteuerung kann also so variiert werden, dass die Verbrennung auf ein gewünschtes Zeitintervall vor der Kolbenumkehr oder der Geschwindigkeit Null des Arbeitskolbens getriggert werden kann. Dieser Triggerpunkt tritt auf, wenn das elektrische Signal, das der Geschwindigkeit des Arbeitskolbens proportional ist, um einen vorherbestimmten Anteil unterhalb seines Maximalwertes abgesunken ist (--T-1-- in Fig. 3), z.
B. auf den Wert zur Zeit--T-2--in Fig. 3.
Zweckmässigerweise wird beim Starten einer Freikolbenmaschine der Arbeitskolben wesentlich langsamer vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt gebracht als während des Betriebes der Maschine. Da der Geschwindigkeits-Messfühler der Fig. 1 bei Arbeitsgeschwindigkeit Ausgangsspannungen der richtigen Höhe erzeugt und diese direkt proportional der Arbeitsgeschwindigkeit abnimmt, ist während des ersten Starthubes des Arbeitskolbens die von der Spule--28--abgegebene Ausgangsspannung annähernd gleich Null. Das heisst, die Geschwindigkeit des Arbeitskolbens beträgt, wenn er sich während des ersten Hubes vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegt, grössenordnungsmässig etwa 1/100 der normalen Maximalgeschwindigkeit.
Daher wird die Flussänderungsgeschwindigkeit in der Spule-28--, wenn sie am Magneten-15-vorbeigeführt wird, ebenfalls beträchtlich verringert. Daher ist während des ersten Starthubes des Arbeitskolbens in der
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Schmitt-Trigger--83--zu betreiben, u. zw. auch dann nicht, wenn sie direkt der Basis--48--des Transistors --50-- zugeführt wird. Hinzu kommt, dass während der ersten Hübe der Maschine die Maximalgeschwindigkeit des Arbeitskolbens kontinuierlich bis zur Maximalgeschwindigkeit während des Normalbetriebes ansteigt. Die Maximalamplitude der von der Spule--28--abgegebenen Ausgangsspannung ist daher während der ersten Arbeitszyklen ebenfalls herabgesetzt.
Es ist festgestellt worden, dass die Maximalspannung während der ersten Hübe, wenn sie durch die Widerstände--34 und 38--aufgeteilt wird, höchstwahrscheinlich geringer ist als die zum Betrieb des Schmitt-Triggers--83--benötigte Spannung, so dass der Schmitt-Trigger während der ersten Hübe nicht arbeiten kann. Zur Lösung dieser Schwierigkeit kann die Schaltung der Fig. 7 verwendet werden, bei der ein grosser Widerstand--130--zwischen die Spann ungseingangsklemme--42--und einen Verbindungspunkt--132--geschaltet ist. Zwischen den Verbindungspunkt--132--und die gemeinsame Leitung (Masse) ist ein Kondensator--134--geschaltet.
Der Widerstand --130-- und der Kondensator --134-- sind so gewählt, dass sich eine Zeitkonstante in der Grössenordnung von 1/10 bis 1 sec ergibt. Zwischen den Verbindungspunkt--132--und einen Verbindungsoder Eingangspunkt--70--ist ein Schalter --136-- geschaltet. Zwischen dem Verbindungspunkt--70-und der Basis --68-- eines Transistors --60-- liegt ein Basiswiderstand--66--. Der Transistor--60-liegt parallel zu dem Transistor--50--der Fig. 2, wobei der Kollektor--62--des Transistors--60--mit dem Kollektor--52--und der Emitter--64--des Transistors--60--mit dem Emitter--56--des Transistors --50-- verbunden ist.
Die eine Seite eines Widerstandes--139--ist an den Verbindungspunkt - -70-- angeschlossen, seine andere Seite an die gemeinsame Leitung. Der Wert des Widerstandes --139-- ist verglichen mit dem des Widerstandes --130-- gering.
Im Betrieb lädt sich der Kondensator --134-- über den Widerstand--130--auf und speichert die an der Eingangsklemme--42--anstehende Spannung. Während des ersten Starthubes der Maschine ist der Schalter --136-- geschlossen und die Spannung des Kondensators-134-entlädt sich schnell über den Widerstand--139--.
Während der Entladung des Kondensators--134--wird dem Eingangspunkt--70-- des Transistors --60-- ein positiver Impuls zugeführt (Zeit-T-3-in Fig. 9). Da der Transistor-60parallel zum Transistor --50-- geschaltet ist und der durch die Entladung des Kondensators--134-erzeugte Spannungsimpuls ausreichend hoch ist, um den Transistor--60--durchzuschalten, arbeitet der Schmitt-Trigger-83-in der gleichen Weise wie oben beschrieben, wobei der Transistor --50-- zeitweilig durch den Transistor--60--ersetzt ist.
Die Kurven der Fig. 9 und 12 zeigen die Spannungen und Zeitbeziehungen während dieser Arbeitsphase im Vergleich zu den entsprechenden Spannungen und Zeitbeziehungen in den Fig. 3 bis 6 während des Normalbetriebes, wenn die Maschine mit voller Geschwindigkeit läuft.
Fig. 8 zeigt die Art und Weise, in der der Schalter--136--geschlossen wird. Der Schalter--136-- besteht aus einem Reed-Schalter mit einem Glaskolben--140--und magnetisch betätigbaren Kontakten --142 und 144--. Ein Magnet--146--, der sich von dem Magneten --15-- der Fig. 1 unterscheidet, ist ebenfalls mit dem Arbeitskolben der Freikolbenmaschine hin- und herbeweglich befestigt, u. zw. so nahe am Schalter-136-, dass die Kontakte-142 und 144--während eines Teiles des Hubes des Arbeitskolbens magnetisch betätigt werden. Zwischen dem Magneten --146-- und dem schalter --136-- ist ein Streifen --145-- aus magnetischem Material angebracht.
Wenn die Freikolbenmaschine mit der richtigen Geschwindigkeit läuft und die Schaltung der Fig. 7 abgeschaltet werden soll, so kann der Streifen--145-- beispielsweise pneumatisch zwischen den Magneten--146--und den Schalter --136-- gebracht werden, so
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dass die Kontakte--142 und 144--des Schalters--136--durch den Magneten--146--nicht geschlossen werden können.
Der Streifen--145--ist jedoch nicht unbedingt notwendig, weil der Widerstandswert des Widerstandes --139-- im Vergleich zu dem des Widerstandes --130-- gering ist und weil die Zeitkonstante des Widerstandes--130--und des Kondensators--134--über 0, 1 sec beträgt, während die normale Hubzeit der Freikolbenmaschine in der Grössenordnung von 0, 001 sec liegt. Somit ist während eines Hubes nicht genügend Zeit vorhanden, um am Kondensator--134--eine Spannung aufzubauen und der Kondensator --134-- wird über den Widerstand --139-- während jedes Zyklus entladen. Daher wird während des ersten Hubes der Maschine der Transistor --60-- nicht leitend.
Der Streifen --145-- ist jedoch zur Verlängerung der Lebensdauer des Schalters--136--zweckmässig.
Da der Schalter --136-- während des ersten Starthubes durch die Kolbenbewegung selbst geschlossen wird, wird der Zündfunke gegenüber dem Schliessmoment des Schalters--136--etwas verzögert. Diese geringe Verzögerung beeinträchtigt jedoch die Arbeitsweise der Maschine nicht, da sich der Arbeitskolben während des ersten Starthubes nur langsam bewegt.
Fig. 13 zeigt eine weitere zusätzliche Schaltung, die zusammen mit der Schaltung der Fig. 7 und 8 zur weiteren Unterstützung des Starts der Freikolbenmaschine verwendet werden kann, um die Schwierigkeit der Signale verminderter Amplitude der Spule --28-- während der ersten Arbeitszyklen der Maschine zu überwinden. Die Schaltung der Fig. 13 enthält zwei Eingangsklemmen-150 und 152--.
Zwischen die Eingangsklemme --150-- und einen Verbindungspunkt --156-- ist ein Widerstand --154-- geschaltet. Zwischen dem Verbindungspunkt --156-- und der Eingangsklemme --152-- liegt ein Kondensator
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--156-- ist- angeschlossen. Der Kollektor --164-- des Transistors --162-- ist über einen Widerstand --166-- mit dem Verbindungspunkt--36--der Fig. 2 verbunden. Die Eingangsklemmen--150 und 152-werden durch eine von der Maschine erzeugte elektrische Spannung gespeist, so dass diese Spannung erst mit voller Amplitude anliegt, nachdem die Maschine die richtige Arbeitsgeschwindigkeit erreicht hat.
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--162-- nichtFig. 2.
Hiedurch ergibt sich ein erstes Spannungsteilungsverhältnis. Nach den ersten Arbeitszyklen der Maschine, wenn die von der Spule--28-abgegebene Spannung ihre richtige Amplitude erreicht hat, kann ein niedrigeres Spannungsteilerverhältnis verwendet werden. Zu diesem Zeitpunkt hat auch die von der Maschine erzeugte elektrische Spannung eine Höhe erreicht, bei der der Transistor --162-- leitend bzw. durchgeschaltet wird. Bei leitendem Transistor --162-- liegt der Widerstand--166--parallel zu dem Widerstand--38--, so dass der Widerstandswert dieses Schenkels des Spannungsteilers verringert wird und sich damit das gewünschte geringere Spannungsteilerverhältnis ergibt.
Bei der Wahl des Widerstandes muss das während der ersten Arbeitszyklen der Maschine notwendige Verhältnis beachtet werden. So kann durch entsprechende Wahl des Widerstandes--199--das Spannungsteilerverhältnis für den Normalbetrieb der Maschine herabgesetzt werden.
Steht eine von der Freikolbenmaschine abgegebene elektrische Spannung nicht zur Verfügung, so kann die Schaltfunktion des Transistors--162--auch durch einen mechanischen Schalter erreicht werden. Ein derartiger Schalter kann durch ein gedämpftes Drosselklappenventil betätigt werden, das in der Abgasleitung der Maschine so angeordnet ist, dass, wenn das Abgas anzeigt, dass die Maschine in Betrieb ist, das Drosselklappenventil durch die hindurchströmenden Abgase geöffnet wird und die Schaltfunktion des Transistors --162-- auf mechanische Weise vorgenommen wird.
Die Fig. 14 bis 16 zeigen die Schaltung und die Arbeitsweise einer bevorzugten R-C-Diodenschaltung, durch die der Spannungsteiler im linken Teil der Fig. 2 ersetzt werden kann. Gemäss Fig. 14 ist die Spule-28--, die die der augenblicklichen Geschwindigkeit des Arbeitskolbens proportionalen elektrischen Signale erzeugt, mit ihrer Klemme--32'--über eine Parallelschaltung an Masse bzw. die gemeinsame Leitung geführt. Der eine Zweig der Parallelschaltung enthält einen Kondensator--170--, der andere eine Reihenschaltung aus einem festen Widerstand --171-- und einem variablen Widerstand-172-.
Die andere Klemmender Geschwindigkeitsmessspule--28--ist über eine Diode--173--an den Eingang--37--des Schmitt-Triggers--83--angeschlossen, der schematisch mit gestrichelten Linien angedeutet ist.
Wie bei der Schaltung der Fig. 2 sind die Dioden--40 und 44-zwischen die positive Spannungseingangsklemme--42--und den Verbindungspunkt--37--am Eingang des Schmitt-Triggers bzw. zwischen den Verbindungspunkt --37-- und Masse geschaltet. Die Dioden-40 und 44-haben im wesentlichen die gleiche Funktion wie bei der Schaltung der Fig. 2. Die Diode--44--verhindert darüber
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--37-- unerwünschteR-C-Schaltung erzeugt werden könnten.
Fig. 15 zeigt die Beziehungen zwischen der Kolbengeschwindigkeit und der Spannung an verschiedenen Punkten. Die Kurve --174-- gibt die augenblickliche Geschwindigkeit des Kolbens wieder, u. zw. beginnend an einem Punkt--A--, der dem äusseren Umkehr- oder Totpunkt entspricht, an dem die Kolbengeschwindigkeit gleich Null ist, unmittelbar bevor der Kolben reversiert und seinen Kompressionshub beginnt. Die
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Kolbengeschwindigkeit erreicht dann während des Normalbetriebes verhältnismässig schnell ein Maximum bei --B--, während dem Kolben in bekannter Weise eine Rückkehrenergie zugeführt wird.
Während des weiteren Kompressionshubes, während dessen das Gemisch in der Brennkammer komprimiert wird, nimmt die Kolbengeschwindigkeit von ihrem Maximalwert bei--B-ab und erreicht schliesslich bei--C--den Wert Null, der dem inneren Umkehrpunkt am Ende des Kompressionshubes und beim Beginn des Arbeitshubes entspricht. Die Kolbengeschwindigkeit steigt dann während des Arbeitshubes in der andern Richtung schnell an, erreicht ihr Maximum bei-D-und geht dann wieder am äusseren Umkehr- oder Totpunkt des Kolbens, im Diagramm bei--E--auf Null zurück.
Während des Normalbetriebes entspricht der Absolutwert des Mittelwertes der Spannung am Kondensator --170-- der Linie-176-in Fig. 15, d. h. ihrem Abstand --178-- von der horizontalen Achse des Diagrammes. Die tatsächliche Spannung an der Spule --28-- ändert sich im wesentlichen gemäss der Kurve --174--, da sie stets der Momentangeschwindigkeit des Kolbens proportional ist. Wenn die Spannung, die durch die negative Vorspannung am Kondensator--170--verringert wird, ein dem Punkt--B--auf der Kurve --174-- entsprechendes Maximum oder einen bestimmten Wert entsprechend einem etwas vor-B-- liegenden Punkt erreicht, so wird der Schmitt-Trigger in der oben beschriebenen Weise umgeschaltet.
Wenn die am Punkt-37- (Fig. 2 und 14) anliegende Spannung um einen vorherbestimmten Anteil von ihrem Maximalwert abfällt (bzw. ihrem etwas niedrigeren vorgewählten Wert), so schaltet der Schmitt-Trigger in den Zustand, in dem in der Brennkammer der Maschine ein Zündfunke erzeugt wird. Dieser Zündpunkt ist in Fig. 15 bei--F--längs der Bewegungsbahn des Kolbens gezeigt. Die Linie--180--dieser Zeichnung und ihr Abstand--182--von der Achse des Diagrammes stellen die gewünschte vorherbestimmte verminderte Geschwindigkeit (bzw. das der Geschwindigkeit entsprechende Signal) dar, bei der der Schmitt-Trigger die Zündung herbeiführt.
Fig. 16 zeigt, wie der Mittelwert--184--der Spannung am Kondensator--170--allmählich in negativer Vorspannrichtung ansteigt, während die Maschine aus dem Stillstand startet (auf der linken Seite des Diagrammes) und (auf der rechten Seite des Diagrammes) ihren Normalbetrieb erreicht. Der Momentanwert der Spannung am Kondensator --170- ändert sich gemäss der Kurve--186--entsprechend der Zeitkonstanten der R-C-Schaltung.
Wenn die Maschine zum ersten Mal zündet, so ist, wie im linken Teil der Fig. 16 gezeigt, der Mittelwert der Spannung am Kondensator --170-- gleich Null. Der Zündpunkt bei-F-in Fig. 15 liegt gegenüber dem Umkehrpunkt des Kolbens entsprechend später, d. h. weiter von der Maximalgeschwindigkeit--B--des Kolbens entfernt und näher am Umkehrpunkt--C--als der normale Zündpunkt während des Dauerbetriebes.
Während die Maschine in ihren Normalbetrieb beschleunigt, steigt der Mittelwert der Spannung am Kondensator --170-- gemäss Fig. 16 in negativer Richtung an. Der Zündzeitpunkt wird daher progressiv vorgeschoben.
Es ist festgestellt worden, dass, um einen optimalen Betrieb der Maschine zu erreichen, der Zündfunke in manchen Fällen überspringen sollte, wenn die Kolbengeschwindigkeit nur um etwa 10% von der Maximalgeschwindigkeit während des Kompressionshubes (--B-in Fig. 15) abgefallen ist, d. h., beträchtlich vor dem Punkt, an dem die Kolbengeschwindigkeit während der Kolbenumkehr beim Beginn des Arbeitshubes (--C-in Fig. 15) auf Null abfällt. Um ein so frühzeitiges Signal von der Schaltung der Fig. 2 zu erhalten, muss das Spannungsteilerverhältnis des Spannungsteilers dieser Schaltung verhältnismässig hoch sein, so dass dem Schmitt-Trigger eine unerwünscht niedrige Eingangsspannung zugeführt wird und die Spannung zur Zündung eines Funkens zu gering sein könnte.
Bei der Schaltung der Fig. 14 wird dagegen an der R-C-Parallelschaltung eine Spannung erzeugt, deren Mittelwert proportional der mittleren Maschinengeschwindigkeit ist. Diese Spannung wird dem Geschwindigkeitssignal der Spule--28--derart hinzuaddiert, dass das Signal der Spule --28-- negativ vorgespannt wird, d. h., die Spannung am Kondensator--170--wird von der Signalspannung an der Spule--28--abgezogen.
Bei einer Fehlzündung oder einem Zündaussetzer füllt die Amplitude des Geschwindigkeitssignales an der Spule--28--ab. Wählt man jedoch die Zeitkonstante des R-C-Teiles der Schaltung der Fig. 14 so, dass sie gleich oder kürzer ist als die mechanische Zeitkonstante der Maschine, so wird die negative Vorspannung am
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--170-- augenblicklichVerbindungspunkt--37--dem Schmitt-Trigger zugeführte Signal zur Zündung eines Funkens ausreicht u. zw. in einer wirkungsvollen Zeitbeziehung zu dem Umkehrmoment am Ende des nächsten Kompressionshubes nach der Fehlzündung.
Beispielsweise können bei der Schaltung der Fig. 14 der Kondensator--170--einen Wert von 12 bis, der Widerstand --171-- einen Wert von 2200 n und der veränderliche Widerstand --172-- einen Maximalwert von 10000 n haben.
Die Arbeitsweise des zusammen mit der Eingangsschaltung der Fig. 14 verwendeten Schmitt-Triggers ist im wesentlichen ähnlich der Arbeitsweise des an Hand der Fig. 2 beschriebenen.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wurde zwar an Hand einer Funkenzündungs-Freikolbenmaschine erläutert, die Arbeitsprinzipien der Erfindung können jedoch auch bei nach dem Dieselprinzip
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arbeitenden Freikolbenmaschinen angewendet werden. Bei Dieselmaschinen kann die die Verbrennung herbeiführende Einrichtung ein Kraftstoffeinspritzsystem sein, wobei die erfindungsgemässe elektrische Schaltung die Kraftstoffpumpe des Einspritzsystems steuert. Ferner kann das Arbeitsprinzip der Erfindung auch bei Freikolbenmaschinen mit geschichteter Ladung angewendet werden, wo sowohl das Funkenzündungs- als auch das Einspritzsystem entsprechend gesteuert werden. Das Funkenzündungssystem wird zwar bevorzugt, die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
Ferner ist auch die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Schmitt-Triggers beschränkt. Stattdessen können auch jegliche auf eine Spannungshöhe ansprechenden Triggereinrichtungen mit einem Hystereseverhalten verwendet werden. Beispielsweise kann ein Differenzverstärker verwendet werden, wobei einem Eingang des Verstärkers ein Schwellwert-Bezugssignal zugeführt wird und dem andern Eingang die Spannung vom Verbindungspunkt--37--der Fig. 2. Der Vorteil eines Schmitt-Triggers gegenüber einem Differenzverstärker liegt darin, dass der Schmitt-Trigger ein besseres Hystereseverhalten zeigt.
Bei einer Hysterese von nur wenigen Zehntel Volt kann deshalb der Schmitt-Trigger nicht durch auftretende Störspannungen sofort wieder in seinen vorherigen Zustand zurückgeschaltet werden, wenn die Eingangsspannung am Schmitt-Trigger einmal einen ausreichenden Wert zur Änderung des Zustandes des Ausganges erreicht hat. Das heisst, wenn der Transistor - -50-- der Fig. 2 leitet und die Spannung an der Basis --48-- unterhalb des Wertes fällt, der notwendig ist, um den Transistor--50--im leitenden Zustand zu halten, so wird der Transistor --50-- nicht leitend, und die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers ändert sich.
Folgt unmittelbar danach ein Störimpuls, so dass die Eingangsspannung wieder die Spannung übersteigt, die notwendig ist, den Transistor --50-- im leitenden Zustand zu halten, so verhindert die Hysterese des Schmitt-Triggers, dass durch den Störimpuls das Ausgangssignal wieder geändert wird. Dagegen würde bei einem Differenzverstärker durch diesen Störimpuls der Ausgang desselben in einen andern Zustand versetzt. Da Störimpulse normalerweise von kurzer Dauer sind, würde das Ausgangssignal des Differenzverstärkers sofort in seinen andern Zustand umgeschaltet. Daher könnte der Differenzverstärker infolge der einlaufenden Welle überlagerter Störspannungen eine Reihe von Impulsen abgeben, während dies durch die Hysterese eines Schmitt-Triggers verhindert wird.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit Hilfe der erfindungsgemässen elektrischen Zündeinrichtung die Zeit gesteuert werden kann, zu der die Verbrennung während der Bewegung des Arbeitskolbens einer Freikolbenmaschine gezündet wird. Dies geschieht durch die Erzeugung eines auf die Umkehrzeit bezogenen Signales. Das heisst, das Signal steht zu dem Moment in einer zeitlichen Beziehung, zu dem der Arbeitskolben seinen Umkehrpunkt am Ende eines Kompressionshubes erreicht, wobei der Umkehrpunkt an verschiedenen örtlichen Stellungen oder linearen Verschiebungen des Kolbens längs seines Weges in der Maschine liegen kann.
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