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Die Erfindung betrifft eine Freikolbenmaschine und ein Verfahren zu ihrem Betrieb.
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Auf der Idee der Benutzung des Vorverdichtens vom Frischgas im Unterkolbenraum beruht sich ein Großteil der Freikolbenmaschinen. Der nächstliegende Stand der Technik ist der Stelzer-Motor – Patentschrift
DE 3029287 C2 . Seine Nachteile:
- – das größte Problem trägt sich von den Verdichtungsringen zu: sie werden in die Bohrungen, die die Brennräume mit Vorverdichtungsräumen verbinden, periodisch eingesteckt, – das zu schneller Abnutzung dieser Ringe und der Einsteckbereiche führt; darüber hinaus ist Schmierung dieser Ringe ein unlösbares Problem;
- – axiale Unständigkeit der Kolben: sie gleiten auf den Verdichtungsringen (Springringen), die keine axial symmetrischen Teile sind, und dazu – die Verdichtungsringe dringen mit ihren Rändern in die Gaswechselbohrungen hinein;
- – ungünstige Brennräume: einen wesentlichen Anteil ihrer Volumina betragen die ein- und ausgehende Kolbenabschnitte (Bezugszeichen 24 und 26 der Patentschrift), durch Oberflächen derer sehr unerwünschte Wärmeabfuhr erfolgt; da das angesaugte Frischgas an warmen Oberflächen der Kolbenabschnitte einströmt und somit sich erwärmt, nimmt sein Volumen ab;
- – Bewegung des Freikolbens muss mit aufwändiger Regelung stabilisiert sein wegen großer Trägheit der Kolbenstufe (Bezugszeichen 16 und 18 der Patentschrift);
- – das Aufstellen dieser Kolbenstufe in die Vorverdichtungskammer ist sehr umständlich.
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Die Ziele vorliegender Erfindung sind
- 1 – das Schaffen einer Freikolbenmaschine, die erhöhte Wirkungsgrad und Leistung bei verringertem spezifischem Kraftstoffverbrauch aufweist,
- 2 – das Schaffen eines Verfahrens zu ihrem Betrieb, dessen Realisation den Bedarf am Kühlsystem und am Aufladungssystem eliminiert, so dass die Maschine sich selbst auflädt und gleichzeitig abkühlt.
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Es sind folgende Kennzeichnungen angegeben:
- An
- – selbsttätiges Ansaugventil,
- Aus
- – selbsttätiges Auslassventil,
- B
- – Brennraum,
- C
- – Zylinderbuchse (weiterhin – Buchse),
- D
- – Dichtung
- Ein
- – selbsttätiges Einlassventil,
- F
- – Kerze,
- G
- – Lineargenerator,
- HD
- – Hochdruckventil des Verdichters VD,
- K
- – Kolben,
- L
- – Natriumfüllung,
- M
- – Wärmetauschraum,
- S
- – selbsttätiges Sperrventil,
- T
- – Kolbenstange,
- U
- – Unterkolbenraum,
- V
- – Einspritzdüse,
- VD
- – Verdichter,
- W
- – Wärmetauscher,
- Z
- – Arbeitszylinder (weiterhin – Zylinder),
- ZK
- – Zylinderkopf.
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Die Ziele werden dadurch erreicht, dass die Freikolbenmaschine mit Merkmalen:
- – ein Paar gegeneinander angeordneter Zylinder Z mit Zylinderkopf ZK, in denen sich ein Paar auf einer Kolbenstange T befindliche, auswärts wirkende Kolben K hin- und her bewegen, und in jedem Zylinder Z sind folgende Ventile angeordnet: die Einlassventile Ein – unterhalb des Kolbens K und die Auslassventile Aus – etwa oberhalb des Kolbenbodens bei UT-Stellung des Kolbens K,
und dadurch gekennzeichnet, dass - – jeder Zylinder Z und sein Kopf ZK doppelwandig ausgeführt sind, so dass ihre Leerräume einen den Brennraum B umgebenden und zwischen Brenn- B und Unterkolbenraum U befindlichen Verbundraum, weiterhin – Wärmetauschraum M, bilden,
- – Wärmetausch- M, Brenn- B und Unterkolbenraum U kontaktieren miteinander ohne Zwischenraum,
und die Freikolbenmaschine auch folgendes beinhaltet: - – die den Brennraum B mit/von dem Wärmetauschraum M verbindenden/absperrenden Ansaugventile An,
- – das den Unterkolbenraum U mit/von dem Wärmetauschraum M verbindende/absperrende selbsttätige Sperrventil S.
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Zwecks effektiven Wärmeaustausches im Wärmetauschraum M
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- – ein zellenartiger Wärmetauscher W zwischen dem Zylinder Z und seiner Buchse C untergebracht ist,
- – oder der Wärmetauschraum M jedes Zylinders Z oder/und seines Kopfes ZK aus mindestens einem zellenartigen Wärmetauscher W besteht, der einstückig mit dem Zylinder Z bzw. dem Zylinderkopf ZK ausgeführt ist.
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Vereinfachte Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Freikolbenmaschine:
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– beim Ottoverfahren mit einem Lineargenerator G;
- – in einem Zylinder Z (Abwärtsgehen): Arbeit des Brenngases (oberhalb des Kolbens K) und Vorverdichtung der Frischluft (unterhalb des Kolbens K),
- – in anderem Zylinder Z (Aufwärtsgehen): Ansaugung vorverdichteter Luft (oberhalb des Kolbens K) und Beginn des Einlasses der Frischluft (unterhalb des Kolbens K);
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– auch beim Ottoverfahren mit einem Lineargenerator G;
- – in einem Zylinder Z (Abwärtsgehen): Auslass verbrannten Gases (oberhalb des Kolbens K) und Vorverdichtung der Frischluft mit Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M (unterhalb des Kolbens K),
- – in anderem Zylinder Z (Aufwärtsgehen): Verdichtung der vorverdichteten Luft (oberhalb des Kolbens K) und Einlass der Frischluft (unterhalb des Kolbens K);
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– Zylinder Z mit zwei Wärmetauschern W und Zylinderkopf ZK;
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– Spülung (Aufwärtsgehen) beim Ottoverfahren;
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– Spülung (Abwärtsgehen) beim Dieselverfahren;
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– Verfahrensschritte beim Ottoverfahren mit Direkteinspritzung;
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– beim Dieselverfahren mit einem Verdichter VD;
- – in einem Zylinder Z (Abwärtsgehen): Beginn der Spülung (oberhalb des Kolbens K) und Vorverdichtung der Frischluft (unterhalb des Kolbens K) mit Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M,
- – in anderem Zylinder Z (Aufwärtsgehen): Verdichtung vorverdichteter Luft (oberhalb des Kolbens K) und Einlass der Frischluft (unterhalb des Kolbens K);
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Das Verfahren zum Betrieb der Freikolbenmaschine beinhaltet Vorverdichten des Frischgases (der Frischluft oder des Frischgemisches) im Unterkolbenraum U beim Abwärtsgehen bei geschlossenen Einlassventilen Ein
und dadurch gekennzeichnet, dass
- – Einlass des Frischgases erfolgt nur in den Unterkolbenraum U durch die Einlassventile Ein beim geschlossenen Sperrventil S – beim Aufwärtsgehen,
- – bei erstem Vorverdichten des Frischgases im Unterkolbenraum U wird es von dort in den Wärmetauschraum M durch das Sperrventil S verdrängt – beim Abwärtsgehen,
- – das in den Wärmetauschraum M einströmende vorverdichtete Frischgas wird wegen der Erwärmung von den Zellenwänden des Wärmetauschers W und von den Brennraumwänden zweitem Vorverdichten ausgesetzt – bei Ab- und Aufwärtsgehen,
- – Spülung erfolgt nach dem Auslass mit dem Strom des erwärmten, doppelt vorverdichteten Frischgases durch ganzen Arbeitsraum: von den Ansaugventilen An zu den Auslassventilen Aus – kurz vor und kurz nach UT-Stellung,
- – Ansaugen des zu verbrennenden Gases in den Brennraum B erfolgt nur aus dem Wärmetauschraum M durch die Ansaugventile) An – beim Aufwärtsgehen.
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Das Verfahren für eine lufteinsaugende Freikolbenmaschine erfolgt taktmäßig folgendermaßen:
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1. TAKT (Abwärtsgehen)
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Arbeiten; Vorverdichtung:
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- – unterhalb des Kolbens K: Vorverdichtung der Frischluft, weiterhin – Verdrängung vorverdichteter Frischluft in den Wärmetauschraum M;
- – im Wärmetauschraum M: Einströmung der vorverdichteten Frischluft aus Unterkolbenraum U mit ihrer Vermischung mit vorverdichtetem Luftrest, Erwärmung mit Verdichtung der Luft;
- – oberhalb des Kolbens K: Arbeiten des Brenngases;
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Auslass und Spülung; Vorverdichtung:
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- – unterhalb des Kolbens K: Verdrängung der vorverdichteten Luft in den Wärmetauschraum M;
- – im Wärmetauschraum M: Auszug der erwärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B, Durchpumpung mit Erwärmung der aus Unterkolbenraum U einströmenden vorverdichteten Luft zum Brennraum B;
- – oberhalb des Kolbens K: Auslass verbrannten Gases durch Auslassventile Aus, dann (seit Öffnung der Anlassventile An Spülung;
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2. TAKT (Aufwärtsgehen)
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Spülung und Ansaugung; Einlass der Frischluft:
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- – unterhalb des Kolbens K: Einlass der Frischluft;
- – im Wärmetauschraum M: Auszug der erwärmten, doppelt vorverdichteten Luft in den Brennraum B;
- – oberhalb des Kolbens K: Spülung, dann mit Schließung der Auslassventile Aus Ansaugung der doppelt vorverdichteten Luft aus Wärmetauschraum M; Einspritzung des Ottokraftstoffs von Düse V beim Ottomotor;
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Verdichtung; Einlass der Frischluft:
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- – unterhalb des Kolbens K: Einlass der Frischluft;
- – im Wärmetauschraum M: Erwärmung mit Verdichtung des Luftrestes;
- – oberhalb des Kolbens K:
- – beim Ottomotor: Verdichtung gebildeten Ottokraftstoff-[doppelt vorverdichtete Luft]-Gemisches, kurz vor OT: Zündung von Kerze F;
- – beim Dieselmotor: Verdichtung der doppelt vorverdichteten Luft, kurz vor OT: Einspritzung des Dieselkraftstoffs von Düse V mit Selbstzündung.
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Der wichtige Sachverhalt beim Einsatz des vorgeschlagenen Motors ist sehr große Füllung. Die Expansion gewärmten, anzusaugenden Gases für üblichen Motor bedeutet Verkleinerung seines angesaugten Volumens (diese Tatsache hat den Einsatz von Keramik für den Verbrennungsmotor mit eliminiertem Kühlsystem zum Scheitern gebracht). Beim vorgeschlagenen Motor:
- – das Frischgas wird in das Volumen des Unterkolbenraums U beim Aufwärtsgehen eingesaugt, dann dort beim Abwärtsgehen komprimiert und danach in den Wärmetauschraum M durchgedrängt;
- – dort wird dieses vorverdichtete Gas der Erwärmung von den Brennraumwänden und von den Zellenwänden des Wärmetauschers W zusätzlich komprimiert.
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Der Strömungsverlust in den Zellen des Wärmetauschers M führt zur Dissipation kinetischer Energie durchströmten Gases mit Umwandlung in seine Wärmeenergie, die ins Außen nicht ausgeht, sondern in den Brennraum B einkommt – somit findet kein Wirkungsgradverlust statt. Somit wird die vom Arbeitsraum abzuführende Wärme, die als unvermeidliches Böses (auf Grund derer bis Drittel zugeführter Energie verloren geht) aufgenommen wird, völlig ausgenutzt, so dass Bedarf an der Kühlung und der Aufladung entfällt, – deswegen werden Kühlsystem und Aufladungssystem aus dem Konzept der Maschine eliminiert.
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Dank doppelter/starker Vorverdichtung des Frischgases im Unterkolben- U und dann im Wärmetauschraum M wird ein sehr hoher Befüllungsgrad/Liefergrad erzielt – das erhöht Leistung und Wirkungsgrad.
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Auch dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases wird das zu verbrennende Gemisch im Brennraum B hoch homogenisiert – das soll spezifischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen verkleinern.
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Das Eliminieren des Kühl- und Aufladungssystems verringert baulichen Aufwand der Freikolbenmaschine, wesentlich vereinfacht und verbilligt sie, erhöht ihre Zuverlässigkeit sowie ermöglicht weitgehende Wartungsfreiheit.
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Es soll stark verringerte Störanfälligkeit erreicht werden:
- – guter Kaltstart – dank erwähnter starker Vorverdichtung und der Erwärmung des anzusaugenden Gases;
- – keine Frostschäden und keine Schlagempfindlichkeit – wegen dem fehlenden Kühlsystem – das begünstigt den Einsatz der Maschine für Betrieb bei Extrembedienungen.
