DE102006003826A1

DE102006003826A1 - Freikolbenmaschine

Info

Publication number: DE102006003826A1
Application number: DE200610003826
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Dantlgraber; Rudolf SCHÄFFER
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-09-06
Also published as: WO2007085344A1; EP1982056A1

Abstract

Offenbart ist somit eine Freikolbenmaschine mit einem Gehäuse, das relativ zu einem Gestell beweglich gelagert oder aufgehängt ist, wobei diese Bewegung vom Gehäuse relativ zum Gestell zum Antrieb von Nebenfunktionen der Freikolbenmaschinen wie z. B. für das Umführen von Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf oder zum Antrieb einer Niederdruckpumpe oder einer Einspritzpumpe nutzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf, einer zugeordneten Niederdruckpumpe und/oder einer zugeordneten Einspritzpumpe.
Eine Freikolbenmaschine ist im Prinzip ein nach dem 2-Takt-Verfahren arbeitender Verbrennungsmotor, bei dem an Stelle eines Kurbeltriebes ein Hydraulikkreis mit Kolbenpumpe als Antriebsstrang nachgeschaltet ist. Dazu ist der Motorkolben mit einem Hydraulikzylinder verbunden, über den die während eines Motorarbeitstaktes erzeugte translatorische Energie ohne den klassischen Umweg über die Rotationsbewegung eines Kurbeltriebes direkt dem hydraulischen Arbeitsmedium zugeführt wird. Der nachgeschaltete, speicherfähige Hydraulikkreislauf ist derart ausgelegt, dass er die abgegebene Arbeit aufnimmt, zwischenspeichert und je nach Leistungsbedarf einer hydraulischen Abtriebseinheit zuführt.
Auf Grund der hohen Temperaturen im Verbrennungszylinder besteht bei der Freikolbenmaschine genauso wie bei anderen nach dem 2-Takt-Verfahren arbeitenden Verbrennungsmotoren die Notwendigkeit der Kühlung. In der Druckschrift EP 1282766 D1 ist eine Freikolbenmaschine mit einem Verbrennungszylinder gezeigt, indem Kanäle vorgesehen sind, durch die Kühlmittel strömen kann. Dieser Druckschrift sind jedoch keine näheren Angaben über die Ausgestaltung des Kühlkreislaufes insbesondere zur Förderung des Kühlmittels entnehmbar.

In der Druckschrift US 6,314,924 wird ein Hydromotor beschrieben, dessen Abtriebswelle zum Antrieb eines Lüfterrades und einer Wasserpumpe geeignet ist.

Als Kühlmittelpumpen gelangen im Stand der Technik beispielsweise Kreiselpumpen zum Einsatz. Kühlmittelpumpen müssen für die speziellen Anforderungen bei Freikolbenmaschinen speziell angepasst werden, so dass die Herstellungskosten für die Nebenaggregate der Freikolbenmaschine darstellenden Kühlmittelpumpen relativ hoch sind. Die Masse von Nebenaggregaten wirkt sich ferner bei der Verwendung von Freikolbenmaschinen für mobile Arbeitsgeräte nachteilig auf die Gesamtmasse des mobilen Arbeitsgerätes aus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Freikolbenmaschine mit verbessertem Antrieb für Nebenfunktionen der Freikolbenmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Freikolbenmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Freikolbenmaschine hat ein Gehäuse, dass relativ zu einem Gestell beweglich gelagert oder aufgehängt ist, so dass die Bewegung des Gehäuses relativ zum Gestell zum Antrieb der Nebenfunktionen der Freikolbenmaschine wie z. B. zur Umwälzung eines Kühlmittels im Verbrennungszylinder nutzbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Relativbewegung zwischen Motorkolben und Verbrennungszylinder für Zusatzfunktionen nutzen, bei denen bisher Nebenaggregate notwendig waren.

Vorzugsweise hat die Freikolbenmaschine einen Kühlmittelraum zum Kühlen des Verbrennungszylinders, wobei dieser ein Rückschlagventil oder dergleichen aufweist, durch das bei einer Relativbewegung des Gehäuses zum Gestell ein Fördern des Kühlmittels in eine Richtung im Kühlmittelraum ermöglicht ist. Damit wird durch die Relativbewegung zwischen Motorkolben und Verbrennungszylinder der Kühlmittelkreislauf unterstützt, so dass keine extern angesteuerten Ventile oder Aggregate notwendig sind.

Vorzugsweise ist das Rückschlagventil am Kühlmitteleintritt vorgesehen, so dass ein Zurückströmen von erwärmtem Kühlmittel aus dem Verbrennungszylinder entgegen der Strömungsrichtung des Kühlkreislaufes verhindert wird.

Es wird bevorzugt, dass das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils in Bewegungsrichtung des Motorkolbens erfolgt, so dass die Relativbewegung zwischen Motorkolben und Verbrennungszylinder zum Öffnen des Rückschlagventils verwendbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist am Gestell ein Kolben abgestützt, der mit dem Gehäuse einen Kolbenraum einer Pumpe, beispielsweise einer Niederdruckpumpe oder einer Einspritzpumpe, begrenzt, über die zusätzliche Nebenfunktionen ausführbar sind.

Zur Vermeidung von Vibrationen ist ein Endabschnitt von zumindest einer am Kolben vorgesehenen Kolbenstange über ein Loslager an einem Gestell abgestützt.

Bei einer Ausführungsform ist ein Ringkolben von einer Kolbenstange des Motorkolbens durchsetzt, aufgrund dessen Relativbewegung zum Gehäuse Druckmittel ansaugbar und zu einem von dem Hydraulikkolben begrenzten Raum förderbar ist. Aufgrund der Möglichkeit des direkten Ansaugens aus dem Tank wird der Herstellungspreis der Freikolbenmaschine geringer und ist der Wirkungsgrad der Freikolbenmaschine verbessert.

Der Ringkolben ist vorzugsweise an einem Gestell über eine Halterung abgestützt. Auf diese Weise erfolgt eine ungefähre Festlegung der Relativlage der Freikolbenmaschine in Bezug auf das Gestell.

Vorzugsweise ist der Ringkolben an einem Loslager abgestützt und wirkt der Ringkolben als träge Masse, so dass Vibrationen aufgrund von Reaktionskräften verringert bzw. beseitigt werden können.

Entsprechend einer Ausführung der Erfindung ist am Gestell ein magnetisches Element abgestützt, durch dessen Relativbewegung in Bezug auf das Gehäuse der Freikolbenmaschine elektrische Energie erzeugbar ist. Dadurch lässt sich die Gehäusebewegung mit einem guten Wirkungsgrad zur Energiegewinnung einsetzen.

Ferner wird bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Freikolbenmaschine eine Federanordnung oder eine Aufhängung aufweist, durch die verhinderbar ist, dass sich das Gehäuse aus seiner Nulllage herausbewegt, was insbesondere bei mobilen Arbeitsgeräten eine stabile Anordnung der Freikolbenmaschine sicherstellt.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand schematischer Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Freikolbenmaschine entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel während des Verdichtungshubes,
2 eine Schnittdarstellung durch den Verbrennungszylinder von 1 mit dargestelltem Überströmkanal,
3 eine erfindungsgemäße Freikolbenmaschine entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel während des Verbrennungshubes,
4 eine erfindungsgemäße Freikolbenmaschine entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel,
5 eine Abwandlung der Freikolbenmaschine entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
6 eine erfindungsgemäße Freikolbenmaschine entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel,
7 eine Abwandlung der Freikolbenmaschine entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel, und
8 eine Freikolbenmaschine entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die 1 und 2 zeigen eine stark vereinfachte, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenmaschine 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel. Diese hat ein Motorgehäuse 2, durch das zumindest ein Verbrennungszylinder 3 und ein Hydraulikzylinder 7 begrenzt sind. Die Darstellung des Verbrennungszylinders 3 in den 1 und 2 unterscheidet sich lediglich in der Lage des Schnittes durch den Verbrennungszylinder.
In einer Zylinderbohrung 8 des Verbrennungszylinders 3 ist ein Motorkolben 10 geführt, über den die Zylinderbohrung 8 in einen Verbrennungsraum 12 und einen Einlassraum 14 unterteilt ist. In der dargestellten Wartestel lung der Freikolbenmaschine 1 befindet sich der Motorkolben an seinem inneren Totpunkt (IT), wobei ein in 2 dargestelltes Auslassventil 6a eines Auslasskanals 6 aufgesteuert ist, so dass Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum 12 abströmen können. Die Zuführung von Frischgas erfolgt über einen in 2 dargestellten Einlasskanal 4, der in den Einlassraum 14 mündet. Der Einlassraum 14 und der Verbrennungsraum 12 sind mittels eines Überströmkanals 5 verbunden.
Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 12 erfolgt über ein Einspritzventil 16 im Zylinderkopf des Verbrennungszylinders 3.
Zur Kühlung der Freikolbenmaschine 1 ist in der Umfangswandung des Verbrennungszylinders 7 ein hohlzylinderartiger Kühlmittelraum 40 oder sind in dieser Kühlkanäle ausgebildet, dessen an der Seite der Stirnfläche des Motorkolbens 10 ausgebildeter Endabschnitt in einer solchen Weise erweitert ist, dass dieser den Verbrennungsraum 12 benachbart zum Einspritzventil 16 umgibt. Der genannte Endabschnitt des Kühlmittelraums 40 weist ferner in Axialrichtung des Motorkolbens 10 einen durch ein Rückschlagventil 42 verschlossenen Kühlmitteleintritt auf. Ein Kühlmittelaustritt 44 befindet sich in der Umfangswandung in einem Abschnitt des Verbrennungszylinders, der zum Einspritzventil 16 in Axialrichtung des Motorkolbens 10 entgegengesetzt liegt. Auf diese Weise ist eine Durchströmung des Kühlmittelraums 40 vom Rückschlagventil 42 zum Kühlmittelaustritt 44 in Axialrichtung des Verbrennungszylinders möglich, wodurch Wärme effektiv abgeführt werden kann.
Der Verbrennungszylinder 3 ist über ein in 1 schematisch angedeutete Lager 46 an einem Gestell 18 beweglich angeordnet. Um insbesondere bei mobilen Arbeits geräten eine Bewegung des Motorgehäuses 2 aus der Nulllage heraus zu vermeiden, ist der Verbrennungszylinder durch Federn oder eine Aufhängung abgestützt und wird dieser durch die Feder bzw. die Aufhängung bei einer Bewegung aus der Nulllage heraus durch die Feder bzw. Aufhängung wieder zurückgestellt.
Der Motorkolben 10 trägt eine Kolbenstange 20, deren Durchmesser wesentlich geringer als derjenige des Motorkolbens 10 ist. Diese Kolbenstange 20 taucht in einer Axialbohrung 19 des Hydraulikzylinders 7 ein. Die Kolbenstange 20 weist entgegengesetzt zur Seite des Motorkolbens 10 einen Hydraulikkolben 21 auf. Durch den Hydraulikkolben 21 wird die Axialbohrung 19 in eine durch eine Kolbenfläche 22 am Kolbenkolben 21 begrenzten Zylinderraum 23 und einen durch eine Ringfläche 24 am Hydraulikkolben 21 und die Kolbenstange 20 begrenzten Ringraum 25 unterteilt. Der Ringraum 25 ist mit dem Zylinderraum 23 über ein im Hydraulikkolben 21 ausgebildetes Rückschlagventil 29, das zum Zylinderraum 23 hin öffnet, verbindbar. In den Ringraum 25 gelangt Druckmittel von einem Niederdruckspeicher 27 und eine Druckleitung 28 vom Verbraucher über ein Rückschlagventil 26, das zum Ringraum 24 hin öffnet.
Mit dem Zylinderraum 23 ist ein Arbeitsanschluss eines vorgesteuerten Logikelements 37 in Druckmittelverbindung, dessen anderer Arbeitsanschluss mit einem Hochdruckspeicher 32 und einer Druckleitung 34 zum Verbraucher verbunden ist. Am Steueranschluss X des Logikelements 37 befindet sich ein Umschaltventil 36 mit zwei Schaltstellungen und drei Anschlüssen. In der Schaltstellung a des Umschaltventils 36 wird eine Druckmittelverbindung zwischen dem Steueranschluss X des Logikelements 37 und einem Tank 30 hergestellt, so dass der Federraum 37a im Logikelement 37 zum Tank 30 entlastet ist. In ei ner Grundstellung b des Umschaltventils 36 wird eine Druckmittelverbindung zwischen der Hochdruckspeichereinrichtung 32 und der Druckleitung 34 zum Verbraucher mit dem Steueranschluss X des Logikelements 37 vorgesehen, so dass die Druckmittelverbindung zwischen der Druckleitung 34 und dem Zylinderraum 23 unterbrochen ist. Ferner ist der Zylinderraum 23 über ein Entlastungsventil 38, das als 2-Wegeventil mit einer geöffneten und einer geschlossenen Schaltstellung vorgesehen ist, mit dem Tank 30 verbindbar.
Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Freikolbenmaschine beschrieben.
Zu Beginn des Verdichtungshubes befindet sich der Hydraulikkolben 21 in 1 in seiner linken Stellung, ist das Entlastungsventil 38 geschlossen und liegt der Druck in der Hochdruckspeichereinrichtung 32 über das in seiner Grundstellung b eingestellte Umschaltventil 36 am Steueranschluss X des Logikelements 37 an, so dass zwischen dem Hochdruckspeicher 32 und dem Zylinderraum 23 keine Druckmittelverbindung vorliegt.
Zum Einleiten des Verdichtungshubes wird das Umschaltventil 36 in seine Schaltstellung a gebracht, so dass der Steueranschluss X des Logikelements 37 zum Tank 30 hin entlastet wird. Durch das sich öffnende Logikelement 37 gelangt Druckmittel aus der Hochdruckspeichereinrichtung 32 in den Zylinderraum 23 und bewirkt der sich aufbauende Druck, der auf die Kolbenfläche 22 des Hydraulikkolbens 21 wirkt, eine Bewegung des Hydraulikkolbens 21 und somit des Motorkolbens 10 in 1 nach rechts, das heißt zum inneren Totpunkt des Motorkolbens 10 hin. Das im Ringraum 25 vorliegende Druckmittel gelangt über das sich öffnende Rückschlagventil 29 in den Zylinderraum 23.
Durch die Bewegung des Motorkolbens 10 zum inneren Totpunkt hin wird auf Grund der beweglichen Lagerung des Motorgehäuses 2 relativ zum Gestell 18 das Motorgehäuse 2 entgegengesetzt zur Bewegung des Motorkolbens 10, das heißt in 1 nach links, beschleunigt. Auf Grund der höheren Masse des Motorgehäuses 2 ist die Auslenkung des Motorgehäuses 2 im Vergleich zur Auslenkung des Motorkolbens 10 wesentlich geringer. Durch diese Gehäusebeschleunigung beim Verdichtungshub wird das Kühlwasser im Kühlmittelraum 40 in Bewegung gesetzt, so dass Kühlmittel in Richtung zum Kühlmittelaustritt 44 hin strömen kann.
Kraftstoff wird über das Einspritzventil 16 eingespritzt und bei dem Erreichen der gewünschten Verdichtung im Verbrennungsraum 12 gezündet, so dass der Motorkolben 10 mit seiner in 3 gezeigten Bewegung zum äußeren Totpunkt hin beginnt, das heißt in 3 nach links. Dabei befindet sich das Entlastungsventil 38 in der geschlossenen Stellung und das Umschaltventil 36 in Schaltstellung a, so dass eine Druckmittelverbindung vom Zylinderraum 23 zum Hochdruckspeicher 32 und zur Druckleitung 34 zum Verbraucher vorliegt.
Die Bewegung des Motorkolbens 10 zum äußeren Totpunkt bewirkt eine Bewegung des Hydraulikkolbens 21 in 3 nach links, so dass über die Kolbenfläche 22 der Druck im Zylinderraum 23 erhöht wird und Druckmittel zum Hochdruckspeicher 32 und über die Druckleitung 34 zum Verbraucher strömt. In den sich vergrößernden Ringraum 25 tritt Druckmittel über das Rückschlagventil 26 sowohl vom Niederdruckspeicher 27 als auch von der Druckleitung 28 vom Verbraucher ein.
Die schnelle Bewegung des Motorkolbens 10 in 3 nach links bewirkt eine Mitnahme des Kühlmittels im Kühl mittelraum 40 in einer solchen Weise, dass sich das Rückschlagventil 42 öffnet und weiteres Kühlmittel in den Kühlmittelraum 40 gelangt. Ferner strömt Kühlmittel aus dem Kühlmittelaustritt 44 aus. Auf diese Weise ist ohne Verwendung einer zusätzlichen Pumpe die Kühlmittelumführung allein auf Grund der Relativbewegung zwischen Motorgehäuse 2 und Motorkolben 10 möglich.
Um den Hydraulikkolben 21 in seiner Ausgangsstellung für den Verdichtungshub zu bringen, wird das Entlastungsventil 38 in seine geöffnete Position gebracht, so dass im Zylinderraum verbleibendes Druckmittel zum Tank 30 abströmen kann.
Mit der Freikolbenmaschine entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich die vorteilhafte Wirkung, dass nur dann, wenn die Freikolbenmaschine läuft, auch Kühlmittel umgewälzt wird, so dass eine effiziente Arbeitsweise möglich ist.
Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung kann im Kühlmittelkreislauf ein einstellbares Drosselventil vorgesehen werden, durch das die Durchflussmenge im Kühlmittelkreislauf in gewünschter Weise reduzierbar ist.
Um bei mobilen Arbeitsgeräten zu vermeiden, dass sich die Freikolbenmaschine aus ihrer Nulllage herausbewegt, ist eine Abstützung durch Federn oder eine Aufhängung der Freikolbenmaschine möglich.
Entsprechend dem in den 4 und 5 bzw. 6 und 7 bzw. 8 gezeigten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt sich die Relativbewegung zwischen Motorgehäuse 2 und Gestell 18 auch zum Antrieb weiterer Nebenfunktionen nutzen. Insbesondere kann am Gestell oder in Verbindung mit diesem ein Kolben vor gesehen sein, der mit dem Motorgehäuse 2 eine Niederdruckpumpe oder eine Einspritzpumpe definiert. Alternativ dazu kann ein Zylindergehäuse am Gestell befestigt sein und ein Kolben mit dem Motorgehäuse 2 der Freikolbenpumpe verbunden sein.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass das Motorgehäuse 2 durch Federn abgestützt ist. Bei dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel kann zusätzlich oder alternativ zum Antrieb des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf die Relativbewegung von Motorgehäuse 2 und Gestell 18 zum Antrieb einer Einspritzpumpe bzw. einer Niederdruckpumpe verwendet werden, was nachfolgend erläutert wird.
Bei einer in 4 gezeigten Freikolbenmaschine entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel, die bis auf die nachfolgenden Unterschiede der Freikolbenmaschine des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, ist radial außerhalb des Verbrennungszylinders 3 am Motorgehäuse 2 ein Gleichgangzylinder 60 mit einem Kolben 62 vorgesehen, an dem eine durch eine linke Kolbenstange 64 begrenzte, linke Ringstirnfläche 68 und eine durch eine rechte Kolbenstange 66 begrenzte rechte Ringstirnfläche 72 vorgesehen sind. Durch die linke Ringstirnfläche 68 wird ein linker Ringraum 70 und durch die rechte Ringstirnfläche 72 ein rechte Ringraum 74 begrenzt. Die linke Kolbenstange 64 und die rechte Kolbenstange 66 sind an einem Gestell 18, an dem das Motorgehäuse 2 über Lager 46 abgestützt ist, befestigt.
Der linke Ringraum 70 steht über eine Vorförderleitung 76 und eine linke Druckleitung 80 mit einer in 4 nicht dargestellten Vorförderpumpe für Kraftstoff in Druckmittelverbindung. In der Vorförderleitung 76 ist ein zum linken Ringraum 70 hin öffnendes, als Rückschlagventil ausgebildetes, linkes Saugventil 78 vorgesehen. Von der Vorförderleitung 76 zweigt stromaufwärts in Bezug auf das linke Saugventil 78 eine zum rechten Druckraum 74 führende, rechte Druckleitung 84 ab. In der rechten Druckleitung 84 ist ein zum rechten Druckraum 74 hin öffnendes rechtes Saugventil 82 vorgesehen.
Stromabwärts von dem linken Saugventil 78 zweigt von der linken Druckleitung 80 eine mit dem Einspritzventil verbundene Kraftstoffleitung 80 ab. In dieser Kraftstoffleitung 80 ist ein zum Einspritzventil öffnendes linkes Druckventil 86 vorgesehen ist. Ferner mündet in diese Kraftstoffleitung 80 stromab von dem linken Druckventil 86 eine von der rechten Druckleitung 84 stromab von dem rechten Saugventil 82 abzweigende Zweigleitung 89, in der ein zum Einspritzventil öffnendes rechtes Druckventil 88 angeordnet ist. Stromabwärts von dem linken und rechten Druckventil 86, 88 ist mit der Kraftstoffleitung ein Ausgleichbehälter 92 verbunden, in dem Kraftstoff gespeichert wird und aus dem in Abhängigkeit von der Betätigung des Einspritzventils 16 in den Verbrennungsraum der Freikolbenmaschine eingespritzt wird.
Nachfolgend wird die Funktion des zweiten Ausführungsbeispiels als Einspritzpumpe erläutert. Während des in 1 gezeigten Verdichtungshubes wird das Motorgehäuse 2 und mit diesem der Gleichgangzylinder 60 in 4 nach links verschoben. Da der Kolben 62 über die linke und rechte Kolbenstange 64, 66 am Gestell 18 fest eingespannt ist, bewirkt die Verschiebung des Gehäuses des Gleichgangzylinders 60 eine Volumenvergrößerung des linken Ringraums 70 und eine Volumenverringerung des rechten Ringraums 74. Aufgrund des sich verringernden Drucks im linken Ringraum 70 öffnet das linke Saugventil 78 und Kraftstoff strömt von der Vorförderpumpe über die Vorförderleitung 76 und das linke Saugventil 78 in den linken Ringraum 70. Durch die Volumenverringerung des rechten Ringraums 74 bewirkt der sich vergrößernde Druck in diesem ein Öffnen des rechten Druckventils 88, so dass Kraftstoff mit erhöhtem Druck aus dem rechten Ringraum 74, das rechte Druckventil 88 und die Kraftstoffleitung 90 zum Ausgleichbehälter 92 gelangt, von dem der Kraftstoff bei einem Öffnen des Einspritzventils in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.
Während des in 3 gezeigten Verbrennungshubes bewegt sich das Motorgehäuse 2 in 4 nach rechts, so dass sich das Volumen des linken Ringraums 70 verringert und das Volumen des rechten Ringraums 74 vergrößert. Aufgrund der Druckerhöhung im linken Ringrum 70 gelangt der im vorherigen Verdichtungshub angesaugte Kraftstoff über das linke Druckventil 86 in die Kraftstoffleitung 90 und von dort in den Ausgleichbehälter 92. Gleichzeitig wird Kraftstoff über die Vorförderleitung 76, die rechte Druckleitung 84 und das rechte Saugventil 82 in den rechten Ringraum 74 angesaugt.
Mit dem Gleichgangzylinder des zweiten Ausführungsbeispiels ist somit eine Kraftstoffförderung und Kraftstoff-Druckbeaufschlagung sowohl während des Verdichtungshubes als auch während des Verbrennungshubes möglich. Die Gehäusebewegung der Freikolbenmaschine wird dabei zum Antrieb der Einspritzpumpe genutzt, so dass sich ein Kraftstoffhochdruck mit minimalem Aufwand und gutem Wirkungsgrad erzeugen lässt.
5 zeigt eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels in Bezug auf die Nutzung der Gehäusebewegung für Nebenfunktionen. Bei dem in 4 gezeigten, zweiten Ausführungsbeispiel sind die linke und rechte Kolbenstange 64, 66 am Gestell 18 starr abgestützt. In der in 5 gezeigten Abwandlung ist die linke Kolbenstange 64 über ein linkes Loslager 94 mit dem Gestell 18 verbunden, wäh rend die rechte Kolbenstange 66 über ein rechtes Loslager 96 mit dem Gestell 18 verbunden ist. Darüber hinaus ist der Kolben 62 als träge Masse definiert, so dass Vibrationen aufgrund von Reaktionskräften am Kraftstoffförderkolben verringert werden können.
6 zeigt eine Freikolbenmaschine entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel, in dem die Bewegung des Motorgehäuses der Freikolbenmaschine zum Antrieb einer Niederdruckpumpe für das Druckmittel zum Ringraum 25 am Hydraulikkolben 21 verwendet wird.
Im Unterschied zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich im linken Abschnitt des Verbrennungszylinders 3 ein Vorförderkolben 112, der den Einlassraum 14 aus 1 in einen Einlassraum 114 benachbart zum Motorkolben 10 und einen benachbart zum Hydraulikzylinder vorgesehenen linken Kolbenraum 115 unterteilt. Der linke Kolbenraum 115 wird durch eine am Vorförderkolben 112 ausgebildete Ringstirnfläche 116 begrenzt.
Der als Ringkolben ausgebildet Vorförderkolben 112 ist von der Kolbenstange 20 des Motorkolbens 10 durchsetzt, ist auf der Kolbenstange 20 gleitend vorgesehen und ist über einen durch das Motorgehäuse 102 im Wesentlichen radial zum Verbrennungszylinder 3 verlaufende Halterung 108 am Gestell 18 befestigt. Der Einlassraum 114 ist abgedichtet, wobei eine Dichtung 110 zwischen der Halterung 108 und dem Motorgehäuse 102 vorgesehen ist.
Im Unterschied zum radialen Einlass zum Ringraum 25 am Hydraulikkolben 21 im ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem in 6 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel eine Saugleitung 118 im Motorgehäuse 102 ausgebildet. Die Saugleitung 118 verbindet einen Tank 30 mit dem linken Kolbenraum 115 über ein zum linken Kolbenraum 115 öffnen des Rückschlagventil 120. Der linke Kolbenraum 115 ist über eine Druckleitung 122 mit dem Ringraum 25 am Hydraulikkolben 21 über ein zum Ringraum 25 hin öffnendes Rückschlagventil 124 verbunden.
In dem in 6 gezeigten Verdichtungshub bewegt sich das Motorgehäuse 102 nach links, so dass sich der feststehende Vorförderkolben 112 in dem Motorgehäuse 102 in 6 nach rechts bewegt. Aufgrund des sich erhöhenden Volumens des linken Kolbenraums 115 wird Druckmittel aus dem Tank 30 über die Saugleitung 118 und das geöffnete Rückschlagventil 120 in den linken Kolbenraum 115 angesaugt.
Bei dem sich anschließenden Verbrennungshub bewegt sich aufgrund der Bewegung des Motorgehäuses 102 nach rechts der Vorförderkolben 112 in Bezug auf das Motorgehäuse 102 in 6 nach links, so dass sich der linke Kolbenraum 115 verkleinert. Das Druckmittel mit erhöhtem Druck strömt über die Druckleitung 122 und das geöffnete Rückschlagventil 124 in den Ringraum 25.
Durch das Vorsehen des Vorförderkolbens 112 im Verbrennungszylinder 3 wird somit eine Niederdruckpumpe in der Freikolbenmaschine vorgesehen, mit der sich der Ringraum 25 im Hydraulikzylinder 7 beim Ansaugen kavitationsfrei füllen lässt. Auf eine separate, aktive Niederdruckversorgung unter anderem mit Hydraulikpumpe und -motor, Druckspeicher kann damit verzichtet werden.
7 zeigt eine Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels, bei der statt des Festlagers 46 zum Abstützen des Motorgehäuses 102 ein Loslager 148 mit einer Abstützung 140, mit der die Halterung 108 für den Vorförderkolben 112 verbunden ist, das Motorgehäuse 102 hält. Ferner hat der Vorförderkolben 132 eine ringförmige Zusatzmasse 134, die derart gestaltet ist, dass diese in einen ringförmigen Motorkolbeninnenraum 136 des Motorkolbens 10, wenn sich diese an seinem äußeren Totpunkt befindet, eintauchen kann.
Durch die ringförmige Zusatzmasse 134 wirkt der Vorförderkolben 132 als träge Masse, so dass trotz des vorhandenen Loslagers 138 eine Relativbewegung zwischen dem Motorgehäuse 102 und dem Motorkolben 10 eine Volumenvergrößerung/Volumenverringerung des linken Kolbenraums 115 und somit die Funktion der Niederdruckpumpe ermöglicht wird. Durch das Loslager 138 sind Vibrationen aufgrund von Reaktionskräften vermindert.
8 zeigt eine Freikolbenmaschine entsprechend dem vierten Ausführungsbeispiel, die sich von der Freikolbenmaschine des ersten Ausführungsbeispiels dadurch unterscheidet, dass am Motorgehäuse 2 eine Magnetspule 150 vorgesehen ist, in deren Ausnehmung ein am Gestell über eine linke Befestigungsstange 154 und eine rechte Befestigungsstange 156 abgestützter Magnetanker 152 gleitfähig aufgenommen ist. Aufgrund der Relativbewegung zwischen Motorgehäuse 2 und Magnetanker 152 wird in der Magnetspule 150 eine oszillierende Spannung induziert. Diese oszillierende Spannung wird über einen Gleichrichter entsprechend den Anforderungen an die Nebenfunktionen gleichgerichtet.
Das vierte Ausführungsbeispiel ist nicht auf die Anordnung eines Magnetankers 152 in der Magnetspule 150 beschränkt, sondern der Magnetanker kann in einer Abwandlung mit dem Motorgehäuse 2 verbunden sein, während die Spule am Gestell 18 befestigt ist. Der Magnetanker kann dabei einen Dauermagneten aufweisen oder mit einer stromdurchflossenen Wicklung versehen sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eines der Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es kann eine beliebige Kombination zwischen Antrieb des Kühlmittelkreislaufes aus dem ersten Ausführungsbeispiel, Einspritzpumpe aus dem zweiten Ausführungsbeispiel, Niederdruckpumpe aus dem dritten Ausführungsbeispiel und/oder Magnetspule aus dem vierten Ausführungsbeispiel an einer Freikolbenmaschine entsprechend der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden.
Offenbart ist somit eine Freikolbenmaschine mit einem Gehäuse, das relativ zu einem Gestell beweglich gelagert oder aufgehängt ist, wobei diese Bewegung von Gehäuse relativ zum Gestell zum Antrieb von Nebenfunktionen der Freikolbenmaschinen wie z. B. für das Umführen von Kühlmittel in einen Kühlmittelkreislauf oder zum Antrieb einer Niederdruckpumpe oder einer Einspritzpumpe nutzbar ist.

1: Freikolbenmaschine
2: Motorgehäuse
3: Verbrennungszylinder
4: Einlasskanal
5: Überströmkanal
6: Auslasskanal
6a: Auslassventil
7: Hydraulikzylinder
8: Zylinderbohrung
10: Motorkolben
12: Verbrennungsraum
14: Einlassraum
16: Einspritzventil
18: Gestell
19: Axialbohrung
20: Kolbenstange
21: Hydraulikkolben
22: Kolbenfläche
23: Zylinderraum
24: Ringfläche
25: Ringraum
26: Rückschlagventil
27: Niederdruckspeicher
28: Druckleitung vom Verbraucher
29: Rückschlagventil
30: Tank
32: Hochdruckspeicher
34: Druckleitung zum Verbraucher
36: Umschaltventil
37: Logikelements
37a: Federraum
38: Entlastungsventil
40: Kühlmittelraum
42: Rückschlagventil
44: Kühlmittelaustritt
46: Lager
60: Gleichgangzylinder
62: Kolben
64: linke Kolbenstange
66: rechte Kolbenstange
68: linke Ringstirnfläche
70: linker Ringraum
72: rechte Ringstirnfläche
74: rechter Ringraum
76: Vorförderleitung
78: linkes Saugventil
80: linke Druckleitung
82: rechtes Saugventil
84: rechte Druckleitung
86: linkes Druckventil
88: rechtes Druckventil
89: Zweigleitung
90: Kraftstoffleitung
92: Ausgleichbehälter
94: linkes Loslager
96: rechtes Loslager
102: Motorgehäuse
108: Halterung
110: Dichtung
112: Vorförderkolben
114: Einlassraum
115: linker Kolbenraum
116: Ringstirnfläche
118: Saugleitung
120: Rückschlagventil
122: Druckleitung
124: Rückschlagventil
132: Ringkolben
134: ringförmige Zusatzmasse
136: ringförmiger Motorkolbeninnenraum
138: Loslager
140: Abstützung
150: Magnetspule
152: Magnetanker
154: linke Befestigungsstange
156: rechte Befestigungsstange

Claims

Freikolbenmaschine (1) mit einem Gehäuse (2), das relativ zu einem Gestell (18) beweglich gelagert oder aufgehängt ist, so dass die Bewegung des Gehäuses (2) relativ zum Gestell (18) zum Antrieb von Nebenfunktionen der Freikolbenmaschine nutzbar ist.
Freikolbenmaschine nach Anspruch 1 mit einem Kühlmittelraum (40) zum Kühlen des Verbrennungszylinders (3), wobei der Kühlmittelraum (40) ein Rückschlagventil (42) aufweist, das in einer solchen Weise angeordnet ist, dass aufgrund der Relativbewegung des Gehäuses (2) zum Gestell (18) ein Fördern von Kühlmittel im Kühlmittelraum (40) in eine Richtung ermöglicht wird.
Freikolbenmaschine nach Anspruch 2, wobei das Rückschlagventil (42) am Kühlmitteleintritt vorgesehen ist.
Freikolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils (42) in Bewegungsrichtung des Motorkolbens (10) erfolgt.
Freikolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Gestell (18) ein Kolben (62) abgestützt ist, der mit dem Gehäuse (2) einen Kolbenraum (70, 74) einer Niederdruckpumpe oder einer Einspritzpumpe begrenzt.
Freikolbenmaschine nach Anspruch 5, wobei ein Endabschnitt zumindest einer am Kolben (62) angeordneten Kolbenstange (64, 66) über ein Loslager (94, 96) an einem Gestell (18) abgestützt ist.
Freikolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Ringkolben (112), der von einer Kolben stange eines Motorkolbens (10) durchsetzt ist, und aufgrund dessen Relativbewegung zum Gehäuse (2) Druckmittel ansaugbar und zu einem durch den Hydraulikkolben (21) begrenzten Raum (25) förderbar ist.
Freikolbenmaschine nach Anspruch 7 mit einer Halterung (108) für den Ringkolben (112), die an einem Gestell (18) abgestützt ist.
Freikolbenmaschine nach Anspruch 7 mit einer Halterung (108) für den Ringkolben (112), die an eine Loslager (138) abgestützt ist und der Ringkolben in einer solchen Weise ausgestaltet ist, dass dieser als träge Masse wirkt.
Freikolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei am Gestell (18) ein magnetisches Element (152) abgestützt ist, über dessen Relativbewegung zum Gehäuse (2) elektrische Energie erzeugbar ist.
Freikolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Feder oder einer Aufhängung, durch die verhinderbar ist, dass sich das Gehäuse aus einer Nulllage herausbewegt.