Freikolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Freikolben maschine, die als kombinierte Kraft- und Arbeits maschine ausgebildet ist.
Die Erfindung besteht darin, dass in einem ab- gestuften Zylinderraum einem einzigen freifliegenden, mehrstufigen Kolben, der den Zylinderraum in zu- mindest zwei Vorverdichterräume und zwei Ver brennungsräume unterteilt, eine Hin- und Herbewe- gung erteilt wird und dass mittels des gleichen Kolbens zugleich Arbeit geleistet wird.
Vorteilhafterweise besteht die Maschine aus einem Mittelteil des Zylinderraumes mit relativ klei nem Durchmesser, in dem ein Mittelstück des Kol bens mit relativ kleinem Durchmesser geführt wird. Zu beiden Seiten des Mittelteils schliesst sich je ein Zylinderraum mit relativ grossem Durchmesser an. Diese anschliessenden Zylinderräume werden von je einem Kolbenstück mit relativ grossem Durchmesser unterteilt. Zur Mitte hin liegt je ein Vorverdichter- raum und nach aussen je ein Verbrennungsraum.
Axial nach aussen sind der Zylinderraum und der Kolben hinter den Verbrennungsräumen bzw. den Kraftkolbenstücken wieder zur Achse hin abgestuft.
Die Vorverdichter und die Verbrennungsräume bilden mit den zugehörigen Kolbenstücken den Kraft teil der Maschine. Der Arbeitsteil der Maschine lässt sich bevorzugt auf zwei Wegen verwirklichen. Die axial aussen liegenden Zylinderräume und die axial aussen liegenden Kolbenstücke können als Verdichter zusammenwirken. Die Zylinderräume werden in die sem Falle mit Ventilen versehen werden. Nach einer anderen Ausgestaltung lässt sich der Kolben innen hohl und konisch ausbilden. An den axialen Enden des Kolbens, die zu beiden Seiten aus der Maschine herausragen, kann ein durchströmendes Medium vor gesehen werden, das durch die Kolbenbewegung durch die Maschine gepresst wird.
Bei einer Ausführungsform arbeitet der Kraftteil der Maschine im Zweitaktprinzip und im Gegentakt. Zu diesem Zweck weist jeder Vorverdichterraum einen Einlass-@ und einen Auslassschlitz auf. Der Vor verdichterraum ist mit dem Verbrennungsraum durch einen überströmkanal verbunden, und jeder Ver brennungsraum ist mit einem Auslassschlitz versehen. Der an den Schlitzen vorbeibewegte Kolben steuert den Prozess.
Gegenüber herkömmlichen Zweitakt motoren ergeben sich die Vorteile, dass keine Pleuel stangen und Kurbeln notwendig sind. Nach der Er findung arbeitet ein einziger Kolben in zwei Ver brennungsräumen im Gegentakt. Die bewegte Masse kann klein sein und iäeshalb kann höher verdichtet und exakter gesteuert werden als dies bei üblichen Zweitaktmotoren der Fall ist. Es braucht .auch nicht über ein Kurbelwellengehäuse angesaugt und vorverdichtet zu werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine Systemdarstellung im Schnitt, Fig. 2 im Längsschnitt eine bevorzugte Ausfüh rungsform und Fig. 3 eine andere Ausführungsform im Längs schnitt.
Das Prinzip der Maschine ist in Fig. 1 dargestellt. In einem stufenförmig abgesetzten Zylinderraum 10, der durch eine Wand 12 begrenzt ist, befindet sich ein stufenförmig abgesetzter Freikolben 14. Der Kolben 14 ist axial frei bewegbar und besteht aus einem Mittelstück 16 sowie aus ,zwei Kraftkolben- stücken 18 und aus zwei Arbeitskolbenstücken 20. Das Kraftkolbenstück 18 und das Arbeitskolben stück 20 haben verschiedene Durchmesser.
Das Mittelstück 16 ist im Durchmesser kleiner als die angrenzenden Arbeitskolbenstücke. Der Zylinderraum 10 weist einen Mittelteil 22 auf, in dem das Mittelstück 16 geführt wird. An beiden Seiten schliesst je ein Raum an, der von dem in diesem Raum geführten Kraftkolbenstück 18 in je einen innenliegenden Vorverdichterraum 24 und je einen aussenliegenden Verbrennungsraum 26 unter teilt wird. In äusseren.
Enden des Zylinderraums 10 befinden sich Arbeitszylinder 28, in die sich die Arbeitskolbenstücke 20 :hinein- und herausbewegen.
Zum Betrieb der Maschine sind weitere Teile erforderlich, die in Fig. 2- eingezeichnet sind. Die bereits anhand der Fig. 1 erläuterten Teile sind mit gleichen Bezugszahlen belegt. Jeder Vorverdichter- raum 24 besitzt einen Einlassschlitz 30, dessen Zu führungskanal mit einer nicht dargestellten herkömm lichen Brennstoffvergaser- oder Brennstoffeinspritz- einrichtung verbunden ist.
An einem Auslassschlitz 32 schliesst sich ein überströmkanal 34 an, der in einen Einströmschlitz 36 in der Wand zum Verbrennungs raum 26 eingelassen ist. Für den Austritt der Ver brennungsgase ist ein Auslassschlitz 38 vorgesehen. Die Steuerung der Schlitze, d. h. das Öffnen und Schliessen, erfolgt durch das Kolbenstück 18.
Alle Kolbenstücke tragen Kolbenringe 40. Im Verbrennungsraum 26 sind Zündhilfen, wie Glüh- kerzen oder Zündkerzen 42, eingeschraubt.
Die Arbeitszylinder 28 sind als Kompressions kammern. ausgebildet, in denen ein beliebiges Medium wie Luft, Wasser oder Öl vom-Arbeitskolbenstück 20 im Gegentakt angesaugt bzw.
verdichtet wird. Jeder Zylinder 28 ist deshalb mit einem Einlassventil 44 und einem Auslassventil 46 versehen, Die Maschine arbeitet in folgender Wise:
In dem in Fig. 2 links liegenden Verbrennungs raum 26 befindet sich das Kolbenstück 18 in der Kompressionsstellung kurz vor -dem Umkehtpuükt und vor dem Entzünden des Gases.
Nach der Ver brennung des Gasgemisches, das beim Dieselbetrieb ohne Zündung erfolgt, aber auch beim Betrieb mit leichtflüchtigen Brennstoffen, wie beispielsweise Ben= zin, wegen der hohen Verdichtung keine Zündhilfe ausser beim Anlassen braucht,
wandert der ganze Kolben 14 in Fig. 2 nach rechts. Hierbei presst das Kolbenstück 18 das in den linken Vorverdichterranm 24 eingeströmte Gas in den überströmkanal 34 und nach dem Öffnen des Schlitzes 36 in den Verbren nungsraum 26.
Während des gleichen Hubes werden im rechten Verbrennungsraum 26 die Gase vor dem rechten Kolbenstück 18 bis zum Entzünden kom- primiert. Gleichzeitig strömt über den Einlassschlitz 30 frisches Brenngas in den .rechten evakuierten Vorverdichterraum 24 und aus dein linken Verbren nungsraum 26 entweichen die verbrannten Abgase durch den Schlitz 38.
Nach Beendigung dieses Hubes wiederholt sich der Ablauf in umgekehrter Richtung.
Es liegt somit ein Zweitakt-Gegentaktverfahren vor. Das Verfahren arbeitet mit einer Querstrom= Spülung, da im Verbrennungsraum die Frischgas- zufuhr- und die Abgasabführrichtung quer zur Kol benrichtung erfolgt. . Die gewonnene Kraft wird vom selben einteilige Kolben durch die Arbeitskolbenstücke. 20 in Arbeit umgesetzt. Beim Hub nach rechts (in Fig. 2) säugt das Kolbenstück 20 im Arbeitszylinder 28 über das Ventil 44 ein Medium an..
Gleichzeitig wird das zuvor angesaugte Medium im rechten Arbeitsraum 28 durch das Ventil 46 hinausgepresst.
Das Medium kann beispielsweise in einem nicht dargestellten Kreislauf eine oder mehrere -Turbinen antreiben, die in den einzelnen Rädern eines Fahr zeuges untergebracht sind. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Fahrzeugantrieb geschaffen. Dar über hinaus .sind viele andere Anwendungsmöglich- keiten der Erfindung denkbar. In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform gezeigt. Der Kraftteil der Maschine entspricht voll kommen der vorstehenden Beschreibung.
Die seit lichen Arbeitszylinder sind entfallen, und der Kolben 14 ragt mit seinen axialen Enden heraus. Der Kolben ist innenhohl .ausgebildet: Der hohle Innenraum 48 ist konisch gestaltet und dient als Arbeitszylinder, in dem das Medium verdichtet wird. Das Medium wird am relativ breiten offenen Ende 50 angesaugt und am relativ engen offenen Ende 52 ausgestossen. Der Stromfluss wird durch die oszillierende Bewegung des Kolbens 14 hervorgerufen. Gegen die Strom flussrichtung sperrt ein nicht dargestelltes Flatter ventil.
Zum Anlassen der Maschine wird der Arbeits- prozess in einen Kraftprozess umgekehrt. Ist der Arbeitsprozess ein Verdichterprozess, wird ein ver- dichtetes Medium, wie Pressluft, zum Starten benutzt.
Die Pressluft wird in alternierenden Stössen in die Arbeitsräume -geleitet und bringt dadurch den Kolben zum Schwingen, bis die Verbrennungsgase in den Verbrennungsräumen zünden.
Free piston machine The invention relates to a free piston machine, which is designed as a combined power and work machine.
The invention consists in that a single free-floating, multistage piston, which divides the cylinder chamber into at least two supercharging chambers and two combustion chambers, is given a back and forth movement in a stepped cylinder chamber and at the same time by means of the same piston Work is being done.
Advantageously, the machine consists of a central part of the cylinder space with a relatively small diameter, in which a center piece of the Kol ben is guided with a relatively small diameter. A cylinder space with a relatively large diameter adjoins each side of the central part. These adjoining cylinder spaces are each divided by a piston piece with a relatively large diameter. Towards the center there is a pre-compression chamber and a combustion chamber to the outside.
The cylinder chamber and the piston behind the combustion chambers or the power piston pieces are stepped axially outwards again towards the axis.
The pre-compressor and the combustion chambers with the associated piston pieces form the power part of the machine. The working part of the machine can preferably be realized in two ways. The axially outer cylinder spaces and the axially outer piston pieces can interact as a compressor. In this case, the cylinder spaces will be provided with valves. According to another embodiment, the piston can be designed to be hollow and conical on the inside. At the axial ends of the piston, which protrude from the machine on both sides, a medium flowing through can be seen, which is pressed through the machine by the piston movement.
In one embodiment, the power part of the machine works in the two-stroke principle and in push-pull. For this purpose, each pre-compression chamber has an inlet and an outlet slot. The pre-compression chamber is connected to the combustion chamber by an overflow duct, and each combustion chamber is provided with an outlet slot. The piston that moves past the slots controls the process.
The advantage over conventional two-stroke engines is that no connecting rods or cranks are required. According to the invention, a single piston works in two combustion chambers in push-pull. The moving mass can be small and therefore it can be more highly compressed and controlled more precisely than is the case with conventional two-stroke engines. Nor does it need to be sucked in and pre-compressed via a crankshaft housing.
Further advantages of the invention emerge from the following description of the drawing. 1 shows a system illustration in section, FIG. 2 shows a preferred embodiment in longitudinal section, and FIG. 3 shows another embodiment in longitudinal section.
The principle of the machine is shown in FIG. In a stepped cylinder chamber 10, which is delimited by a wall 12, there is a stepped free piston 14. The piston 14 is freely movable axially and consists of a center piece 16 as well as two power piston pieces 18 and two working piston pieces 20. The power piston piece 18 and the working piston piece 20 have different diameters.
The center piece 16 is smaller in diameter than the adjacent working piston pieces. The cylinder space 10 has a middle part 22 in which the middle piece 16 is guided. A space adjoins each side, which is divided by the power piston piece 18 guided in this space into an inner supercharger space 24 and an outer combustion space 26 each. In outer.
At the ends of the cylinder space 10 there are working cylinders 28 into which the working piston pieces 20: move in and out.
To operate the machine, additional parts are required, which are shown in Fig. 2-. The parts already explained with reference to FIG. 1 are given the same reference numbers. Each pre-compression chamber 24 has an inlet slot 30, the supply channel of which is connected to a conventional fuel carburetor or fuel injection device, not shown.
An overflow duct 34 adjoins an outlet slot 32 and is let into an inflow slot 36 in the wall to the combustion chamber 26. An outlet slot 38 is provided for the exit of the combustion gases. The control of the slots, i.e. H. the opening and closing are carried out by the piston piece 18.
All piston pieces have piston rings 40. Ignition aids such as glow plugs or spark plugs 42 are screwed into the combustion chamber 26.
The working cylinders 28 are as compression chambers. formed in which any medium such as air, water or oil is sucked in or out of the working piston piece 20 in push-pull.
is compressed. Each cylinder 28 is therefore provided with an inlet valve 44 and an outlet valve 46. The engine operates in the following way:
In the combustion chamber 26 on the left in FIG. 2, the piston piece 18 is in the compression position just before the reversal point and before the gas is ignited.
After the combustion of the gas mixture, which occurs without ignition in diesel operation, but also in operation with highly volatile fuels such as gasoline, because of the high compression, no ignition aid is required except when starting,
the entire piston 14 migrates to the right in FIG. In this case, the piston piece 18 presses the gas that has flowed into the left-hand pre-compressor column 24 into the overflow channel 34 and, after the slot 36 has been opened, into the combustion chamber 26.
During the same stroke in the right-hand combustion chamber 26, the gases in front of the right-hand piston piece 18 are compressed until they ignite. At the same time, fresh fuel gas flows through the inlet slot 30 into the evacuated pre-compressor space 24 on the right and the burned exhaust gases escape from the combustion space 26 on the left through the slot 38.
After this stroke has ended, the sequence is repeated in the opposite direction.
There is thus a two-stroke push-pull process. The process works with a cross-flow = scavenging, since the fresh gas supply and exhaust gas discharge directions in the combustion chamber are transverse to the piston direction. . The force gained is transferred from the same one-piece piston through the working piston pieces. 20 in progress. During the stroke to the right (in FIG. 2), the piston piece 20 draws in a medium in the working cylinder 28 via the valve 44 ..
At the same time, the previously sucked in medium in the right working space 28 is pressed out through the valve 46.
The medium can, for example, drive one or more turbines in a circuit not shown, which are housed in the individual wheels of a vehicle. In this way, an advantageous vehicle drive is created. In addition, many other possible uses of the invention are conceivable. In Fig. 3 a modified embodiment is shown. The power part of the machine corresponds fully to the description above.
The since union working cylinders are omitted, and the piston 14 protrudes with its axial ends. The piston is hollow on the inside. The hollow interior 48 is conical in shape and serves as a working cylinder in which the medium is compressed. The medium is drawn in at the relatively wide open end 50 and expelled at the relatively narrow open end 52. The current flow is brought about by the oscillating movement of the piston 14. A flutter valve, not shown, blocks the direction of current flow.
To start the machine, the work process is reversed into a power process. If the work process is a compression process, a compressed medium such as compressed air is used to start.
The compressed air is fed into the working chambers in alternating bursts, causing the piston to vibrate until the combustion gases ignite in the combustion chambers.