DE1078808B - Vorrichtung zur Regelung eines Freikolbenmotors mittels elektromagnetischer Einrichtungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung eines Freikolbenmotors.

Es sind Freikolbenmotoren bekannt, bei denen ein Kräfteausgleich und ein Gleichlauf der Freikolben von wenigstens zwei getrennten Freikolbenmotoren durch elektrisch miteinander gekoppelte Wicklungen erreicht wird. Bei anderen bekannten Freikolbenmotoren sind elektromagnetische Vorrichtungen vorgesehen, welche die Blindleistungskräfte des Motors von dem Schubkurbelgetriebe fernhalten sollen oder, unter Fortfall des Schubkurbelgetriebes, die Kolbenbewegung auf die Antriebswelle übertragen. Schließlich ist es auch bekannt, bei einem Freikolbenmotor, dessen Kolbenbewegung hydraulisch auf eine Pumpe übertragen wird, zum Anlassen des Motors Magnetwicklungen vorzusehen, denen elektrische Impulse zugeführt werden.

Demgegenüber liegt das Ziel der Erfindung in der Schaffung einer Vorrichtung, mit der der Lauf des Freikolbenmotors geregelt und, im Fall eines Motors mit einem im gleichen Zylinder laufenden Doppelkolben, die Kolbenbewegung synchronisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Magnetkreis mit drei magnetisch miteinander verketteten Schenkeln enthält, in dessen erstem Schenkel, der eine elektrische Ankerwicklung trägt, ein magnetischer Wechselfluß erzeugt wird, während ein zweiter und ein dritter Schenkel mit Hilfe einer Feldwicklung erregt werden, daß die Feldwicklungen des zweiten und des dritten Schenkels im ersten Schenkel Magnetflüsse von entgegengesetzter Richtung zu erzeugen suchen und der zweite und der dritte Schenkel durch einen ,Luftspalt unterbrochen sind, in den durch eine hin- und hergehende Bewegung periodisch ein ferromagnetisches Teil so eingeführt wird, daß in den beiden Schenkeln die magnetische Kontinuität abwechselnd wiederhergestellt wird und dadurch Änderungen des magnetischen Widerstandes in jedem der Schenkel erzeugt werden, daß das ferromagnetische Teil mit wenigstens einem der Kolben des Motors starr verbunden ist, daß der elektromagnetische Kreis eine Beziehung zwischen den Änderungen der Spannung oder des Stromes wenigstens einer der Wicklungen einerseits und der Hin- und Herbewegung des ferromagnetischen Teils andererseits herstellt und daß Hilfseinrichtungen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem bestimmten Merkmal der Spannungs- oder Stromänderungen der betreffenden Wicklung auf wenigstens ein Steuerorgan des Motors einwirken.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht vor allem in der Möglichkeit, die Regelung und gegebenenfalls die Synchronisation von Freikolbenmotoren durch

eines Freikolbenmotors
mittels elektromagnetischer Einrichtungen

Anmelder:

Jacques Henri Jarret,

Le Vesinet, Seine-et-Oise,

und Jean Marie Baptiste Jarret,

Saint-Clöud, Seine-et-Oise (Frankreich)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz und Dr. rer. nat. G. Hauser,
Patentanwälte, München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 18. Dezember 1956

Jacques Henri Jarret, Le Vesinet, Seine-et-Oise,

und Jean Marie Baptiste Jarret,

Saint-Cloud, Seine-et-Oise (Frankreich),

sind als Erfinder genannt worden

automatisch wirkende elektromagnetische Einrichtungen zu erzielen, die zum größten Teil feststehen und lediglich ein bewegliches Organ aufweisen, das aus einem ferromagnetischen Teil besteht, das fest mit dem Kolben verbunden ist und daher ohne Kurbelgetriebe.

oder rotierende Teile in eine einfache Hin- und Herbewegung versetzt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher sehr einfach und robust.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die Möglichkeit einer automatischen Regelung, die an sehr vielseitige Bedingungen anpassungsfähig ist. Eine solche Regelung ist insbesondere im Fall von Freikolbenmaschinen erwünscht, bei welchen die Takte des Motors nicht durch .Pleuelstangen und durch eine Kurbelwelle geregelt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es: ferner, die elektromagnetischen Kreise mit denjenigen" einer Vorrichtung zusammenzufassen, die zur Umwandlung der geradlinigen Kolbenbewegung in eine Drehbewegung, vorzugsweise in Verbindung mit einer-Einrichtung zur Änderung der Drehzahl dient, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift.l 059 098.

beschrieben ist. -

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung

auch zum Anlassen des Motors herangezogen werden,"

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wenn ihr in an sich bekannter Weise -von außen Impulse wobei die drei Schenkel durch zwei Joche 13 α und 13 b zugeführt werden. In dem Fortfall der sonst zusätzlich verbunden sind. Der Schenkel 12 ist hier zusammenerforderlichen Anlaßvorrichtungen ist ein weiterer hängend, und er liegt in der Mitte; jedoch ist er oder Vorteil zu erblicken. auch ein entsprechender Schenkel, der nicht in der

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der 5 Mitte liegt, bei anderen Ausführungsarten so aus-

Zeichnung dargestellt. Darin zeigt geführt, daß er die Magnetpole eines drehbaren elek-

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten irischen Ankers bildet, welcher bei anderen An-

Ausführungsart der erfindungsgemäßen Einrichtung, wendungszwecken als bei denen der vorliegenden Er-

Fig. 2 einen Schnitt senkrecht zu der Darstellung findung in diesem Magnetkreis angeordnet ist. Die

von Fig. 1 nach Linie II-II, io beiden Schenkel 11 α und 11 b, welche hier die seit-

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung liehen Schenkel des Magnetkreises bilden, sind jeweils zur automatischen Verstellung einer Drosselklappe für in der Querrichtung mit Ausschnitten oder Auseinen entsprechenden Motor, die vor allem bei der nehmungen versehen, so daß sie einen beträchtlichen ersten Ausführungsart der Erfindung Anwendung Luftspalt bilden, dessen Breite so groß ist, daß, falls findet, 15 der Luftspalt mit Luft gefüllt ist, der magnetische

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 von einer Vor- Widerstand in dem entsprechenden Schenkel des

richtung zur automatischen Verstellung einer Ein- Magnetkreises sehr stark vergrößert ist, so daß diese

spritzvorrichtung und Vergrößerung wenigstens 100% des Ausgangswertes

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer anderen beträgt und sehr häufig durch einen Faktor ausgedrückt

Ausführungsart der Erfindung, die insbesondere zur ao werden kann, welcher zwischen 5 und 20 liegt.

Synchronisation der bei den zusammengehörigen Kolben In diese Luftspalte können ohne Reibung ferro-

eines Zylinders des Freikolbenmotors dient. magnetische Kerne 14 a, 14 & eingeführt werden, die

Wenn man als Beispiel einen Freikolbenmotor an- zweckmäßig die Form einer Platte haben und so benimmt, in welchem zunächst zur Vereinfachung voraus- messen sind, daß sie die Luftspalte so vollständig wie gesetzt sein soll, daß nur ein einziger Kolben vor- 25 möglich ausfüllen. Diese Platten oder Kerne 14 a und handen ist, so kann eine Anordnung, bei welcher ein 14 b werden von den nichtmagnetischen Trägern 9 a bewegliches Teil des Motors mit einem elektro- und 9 b so gehalten, daß dann, wenn die eine Platte magnetischen Kreis zusammenwirkt, gemäß der Dar- vollständig in die entsprechende Ausnehmung des zustellung von Fig. 1 und 2 ausgeführt sein. gehörigen Schenkels des Magnetkreises eingeführt ist.

Der Motorzylinder 1 dieses Motors ist in Fig. 1 30 die andere Platte vollständig aus dem anderen

und 2 links von der Linie A-A dargestellt. Zwischen Schenkel dieses Kreises ausgetreten ist, wobei sich

den Linien A-A und B-B ist ein elektromagnetischer dann diese andere Platte außerhalb des Magnetkreises

Kreis gezeigt, und rechts von der Linie B-B ist ein befindet.

selbstverdichtender Zylinder dargestellt, der als Jeder der mit Luftspalten versehenen Schenkel 11a

Druckluftpolster wirkt. Am Motorzylinder erkennt 35 und 11 b, welche hier die seitlichen Schenkel sind, ist

man eine Zündkerze 2, eine Einlaßöffnung 3, eine Aus- von einer elektrischen Wicklung 15 α bzw. 15 b um-

laßöffnung 4 (Fig. 2) und einen Umgehungskanal 5. geben.

Das zugehörige Motorteil enthält im übrigen alle er- Je nach den gewählten Anwendungszwecken der Erforderlichen zusätzlichen Organe, die an sich bekannt findung können entweder für eine bestimmte Aussind, insbesondere entweder einen Vergaser oder eine 40 führung oder für kombinierte Anwendungen in einer Einspritzpumpe. solchen Ausführung die elektrischen Wicklungen 15 a

Der dargestellte Zylinder gehört zu einem Zweitakt- und 15 b entweder voneinander isoliert werden, wobei motor. Sein Kolben 6 enthält eine Umgehungs- sie dann zeitlich nacheinander von einer Spannungsöffnung 7. Entsprechend dem wesentlichen Merkmal quelle 16 mit Strom versorgt werden, oder miteinander eines Freikolbenmotors überträgt die Kolbenstange 8 45 verbunden sein (in Serie oder parallel), wobei sie dann die Bewegung ohne Pleuelstange. gleichzeitig von einer Spannungsquelle versorgt wer-

Zwei unmagnetische Schienen 9 α und 9 b (Fig. 2) den, welche wiederum die gleiche Quelle 16 sein kann,

sind nahe ihrem einen Ende fest mit der Kolben- Die Trennung oder die Verbindung der beiden

stange 8 verbunden, so daß sie zwei parallele Längs- Wicklungen 15 α und 15 b geschieht beispielsweise

träger bilden. An ihrem anderen Ende sind die beiden 50 mittels eines Schalters, der schematisch bei 16 c dar-

Schienen 9 a und 9 b fest mit einer Vorrichtung zur gestellt ist, wobei die beiden Pole dieses Schalters mit

Rückführung des Kolbens 6 zum unteren oder inneren den Klemmen der Spannungsquelle 16 verbunden sind.

Totpunkt (d. h. in Fig. 1 und 2 nach links) verbunden. Eine aufeinanderfolgende Speisung der einen und dann

Eine solche Rückführungsvorrichtung kann in üblicher der anderen der beiden Wicklungen 15 α und 15 b, die

Weise nach dem bekannten Stand der Technik der 55 dann isoliert sind, geschieht in der schematisch dar-

Freikolbenmaschinen ausgeführt sein. Unter den ver- gestellten Weise mittels eines Umschalters 16 ώ, der

schiedenen möglichen Ausführungsarten einer solchen nur dann in Tätigkeit tritt, wenn der Schalter 16 c ge-

Rückführungsvorrichtung ist in Fig. 1 und 2 als Bei- öffnet ist. Man erkennt ferner bei 16 e die Leitungen

spiel ein Kolben 10 dargestellt, welcher sich in einem zum Anschluß der Spannungsquelle 16 und bei 16 a

Behälter 21 verschiebt, so daß ein selbstverdichtender 60 und 16 & die Leitungen, die zu den Wicklungen 15 a

Zylinder entsteht. Der Querschnitt dieses Behälters ist bzw. 15 b führen,

hier als rechteckig angenommen. Die beiden Wicklungen 15 α und 15 b sind so ge-

Die Einrichtungen zur Steuerung des Freikolben- wickelt und miteinander verbunden, daß sie bei der

motors enthalten erfindungsgemäß einen besonderen Anwendung auf die Drehzahlreglung und/oder die

elektromagnetischen Kreis, welcher auf verschiedene 65 Synchronisation der Kolben in dem Magnetschenkel

Weise ausgeführt sein kann. Gemäß der in Fig. 1 und 2 12 entgegengesetzt gerichtete Flüsse zu erzeugen

dargestellten Ausführungsart besteht dieser elektro- suchen, während der Wicklungssinn keinen Einfluß bei

magnetische Kreis aus folgenden Teilen: Der Magnet- der Anwendung auf das Anlassen des Motors hat.

kreis enthält drei Schenkel, d. h. zwei seitliche Ferner kann eine Wicklung 17 auch um den mitt-

Schenkel 11a und 115 und einen Mittelschenkel 12, 7° leren Schenkel 12 des Magnetkieses angeordnet sein.

die jedoch bei der Anwendung auf das Anlassen des Motors nicht in Tätigkeit tritt.

Einen derartigen elektromagnetischen Kreis oder einen analogen Kreis, z. B. einen der in Fig. 5 dargestellten magnetischen Kreise, enthalten alle erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Steuerung eines Freikolbenmotors, insbesondere zur Regelung und zur Synchronisation der zusammengehörigen Kolben. Im folgenden wird ferner ausgeführt, daß je nach Lage des Falls entweder nur die den Wicklungen 11 α und den Wicklungen 11 b entsprechenden zusammengehörigen Wicklungen allein oder auch nur eine einzige dieser Wicklungen oder mehrere Wicklungen, die zu dem elektromagnetischen Kreis gehören, ausgenutzt werden können. Der elektromagnetische Kreis ist ferner zweckmäßig in ein Gehäuse 19 eingeschlossen, in welchem er durch Querträger 20 gehalten wird.

Es wird nun die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung auf die Drehzahlregelung eines Freikolbenmotors beschrieben.

Bei einer solchen Anwendung geschieht die automatische Regelung des den Zylindern zugeführten Brennstoffgemisches oder der in die Zylinder eingespritzten Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Belastung des Motors oder in Abhängigkeit von einem anderen Betriebskennzeichen, z. B. von der Drehzahl, mittels eines elektrischen Stromes, der in irgendeinem Abschnitt des elektromagnetischen Kreises erzeugt wird, der in der beschriebenen Weise aufgebaut ist. Es ist Zu diesem Zweck wird seine Speisung mit Luft oder mit Brennstoff über eine elektromagnetische Hilfseinrichtung in Abhängigkeit von der Frequenz eines an irgendeiner Stelle des elektromagnetischen Kreises induzierten Stromes derart geregelt, daß eine Änderung dieser Frequenz eine Veränderung der Speisung des Motors nach sich zieht. Dies erfolgt so, daß die Drehzahl erhöht wird, wenn die Frequenz abnimmt, oder daß die Drehzahl herabgesetzt wird, wenn sich

ία die Frequenz erhöht hat. Diese elektromagnetische Hilfseinrichtung zur Steuerung der Speisung besteht beispielsweise aus einem Elektromagnet mit Tauchkern, der so ausgeführt ist, wie später in Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 erläutert wird. Dieser Elektromagnet wird dann über einen Diskriminator gespeist, welcher an seinem Ausgang eine Spannung liefert, die eine Funktion der Frequenz des auf seinen Eingang gegebenen Stromes ist.

Eine zweite Ausführungsart bei dieser Anwendungsmöglichkeit bewirkt eine Regelung, die so geschieht, daß die Drehzahl und/oder die vom Freikolbenmotor gelieferte Leistung in Abhängigkeit von der mechanischen Belastung des Motors schwanken. Diese Anwendung macht es dann meistens erforderlieh, daß in dem elektromagnetischen Kreis eine Ankerwicklung besteht, in welcher sich die Stärke des Stromes in Abhängigkeit von der Belastung ändert. Eine solche Ankerwicklung kann der Wicklung 17 von Fig. 1 analog sein, wobei in diesem Fall der elektro-

dann ferner besonders zweckmäßig, daß dieser elektro- 3° magnetische Kreis wie ein statischer Wechselstrommagnetische Kreis gleichzeitig als Organ zur Um- generator wirkt, welcher an den Klemmen 18 eine

Spannung erzeugt. Die Induktionswicklung kann auch die Wicklung eines Rotors sein, welcher in analoger Weise wie bei bestimmten Elektromotoren wirkt, wie z. B. in der deutschen Patentschrift 1 059 098 beschrieben worden ist.

Bei einer solchen Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird eine Spannung, die eine Funktion der betreffenden Stromstärke ist, zweckmäßig in einen welcher in irgendeiner der Wicklungen des elektro- 4° Elektromagnet mit Tauchkern geschickt, der später in magnetischen Kreises (infolge der Bewegung der Fig. 3 bis 4 noch beschrieben wird,
magnetischen Platten 14 a, 14 b) induziert wird. Dies Eine dritte Abart dieser Anwendung besteht in einer

erfordert andererseits natürlich, daß der elektromagnetische Kreis eine magnetische oder eine elektromagnetische Erregung besitzt. Diese kann in verschiedener Weise ausgeführt sein.

Jedoch angesichts der sehr vorteilhaften Verwendung eines analogen elektromagnetischen Kreises, wel-

wandlung der geradlinigen Hin- und Herbewegung des Kolbens (oder in der Praxis häufiger der beiden zusammengehörigen Kolben) eines Freikolbenmotors in eine Drehbewegung einer Welle dient, und zwar besonders vorteilhaft mit einer beliebig gewählten Drehzahländerung, wie in der deutschen Patentschrift 1 059 098 beschrieben ist. Bei der nun beschriebenen Anwendung wird der elektrische Strom ausgenutzt,

Regelung, die so erfolgt, daß die Drehzahl, allerdings nur geringfügig, ansteigt, wenn sich die Last erhöht. 45 Man steuert zu diesem Zweck die Speisung des Motors mit einer elektrischen Spannung, die im wesentlichen, d. h. in den Grenzen eines bestimmten Bereichs, in einer elektrischen Wicklung konstant gehalten wird, die nach Art der Wicklung 17 jedoch als besondere Umwandlung enthält, werden vorteilhafterweise für 5° Hilfswicklung ausgeführt ist und auf dem Schenkel 12 die Erregung die Wicklungen 15 α und 15 b gewählt, oder auf einem analogen, im Gleichgewicht befindlichen

eher einen drehbaren Anker als Organ zur Bewegungs-

wobei sie in diesem Fall zweckmäßig miteinander gekoppelt und in kontinuierlicher Weise mit Strom versorgt werden, wobei dann der Schalter 16 c oder die entsprechende Vorrichtung nach dem Anlassen des Motors geschlossen wird, während der Umschalter 16 d geöffnet bleibt.

Die Anwendung eines derartigen in dem elektromagnetischen Kreis induzierten elektrischen Stromes für die Regelung des Motors ermöglicht es, die Speisung des Motors entweder in Abhängigkeit von der Frequenz oder von der Stärke des Stromes oder von der induzierten Spannung· zu steuern.

Eine erste Ausführungsart bei dieser Anwendung kann dementsprechend eine Regelung sein, die so ausgeführt wird, daß die Taktfolge des Freikolbenmotors (und dementsprechend die nutzbare mittlere Drehzahl) im wesentlichen konstant ist, während seine Belastung von Null bis zu einem vorgesehenen Nennwert schwanken kann.

Schenkel des elektromagnetischen Kreises angebracht ist. Man findet dann, daß die elektrische Spannung in einer solchen Wicklung einerseits der impulsweisen Bewegung der magnetischen Kerne 14a, 14 & und andererseits dem Magnetfluß proportional ist, so daß dann, wenn sich z. B. der Magnetfluß gleichzeitig mit der Belastung verringert, sich die Impulsfolge erhöhen muß, damit die genannte Bedingung für diese Hilfsregeleinrichtung gültig ist, d. h. daß die Spannung in der elektrischen Hilfswicklung im wesentlichen konstant bleibt.

Zuzüglich kann die Spannung in der Hilfswicklung infolge ihrer annähernden Konstanz zum Laden einer Akkumulatorbatterie ausgenutzt werden, welche für verschiedene Zwecke in dem Freikolbenmotor verwendet werden kann. Neben anderen Anwendungszwecken stellt diese Akkumulatorbatterie zweckmäßig in einer Anzahl von Fällen die Quelle 16 dar, welche die Wicklung 15 α und 15 b speist.

In Fig. 3 und 4 sind schematisch zwei Ausfiihrungsbeispiele des entsprechenden Teils dieser Anwendungsart dargestellt, wobei die Regelung des Motors mittels einer Spannung geschieht, die im wesentlichen konstant ist und von der obengenannten, der Wicklung 17 analogen Hilfswicklung geliefert wird.

In Fig. 3 ist ein Teil einer Ausführungsart einer Regelvorrichtung dargestellt, welche zur Steuerung der Drosselklappe 21 eines Vergasers 22 für die Speisung des Freikolbenmotors dient. Bei dieser Ausführungsart geht man von den Klemmen einer der Wicklungen eines elektromagnetischen Kreises der beschriebenen Art aus, z. B. von der Wicklung 17 (Fig. 1) auf dem im Gleichgewicht befindlichen Schenkel 12 dieses elektromagnetischen Kreises. Es handelt sich also um die Klemmen 18, welche mit den Klemmen 23 einer elektromechanischen Vorrichtung verbunden sind, die hier durch einen Elektromagnet 24 mit einem Tauchkern 25 dargestellt ist. Der Tauchkern ist mechanisch über eine Stange 26 mit der Kurbel 27 zur Verstellung der Drosselklappe 21 verbunden. Eine Feder 28 versucht, einen Bund 29 am Tauchkern auf einen Anschlag 30 hin zu drücken, was dann der offenen Stellung der Drosselklappe 21 entspricht.

Die Kraft der Feder 28 ist so bemessen, daß sie größer als die Anziehungskraft des Tauchkerns 25 in der entgegengesetzten Richtung ist, solange die elektrische Spannung 23 des Elektromagnets unter einem bestimmten Wert bleibt. Wenn diese Spannung größer als dieser Wert wird, verschiebt sich der Tauchkern in Fig. 3 nach rechts, was zu einer Verringerung der Drehzahl des Freikolbenmotors führt. Diese Wirkung setzt sich fort, bis sich die Spannung an den Klemmen 18 der entsprechenden Wicklung innerhalb der beiden vorgesehenen Grenzwerte befindet.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung dargestellt, welche zur Steuerung einer Einspritzeinrichtung 31 für den Brennstoff dient. Diese Einspritzeinrichtung liegt in der Wand Ib eines Zylinders des Freikolbenmotors, so daß sich also dieser Zylinder in dieser Hinsicht von dem in Fig. 1 dargestellten Zylinder unterscheidet.

Die Einspritzeinrichtung 31 ist ständig mit dem unter Druck gefüllten Brennstoff gefüllt. Die Nadel 32 verschließt normalerweise die Einspritzöffnung 33. Sie muß verschoben werden, damit Brennstoff in den durch die Wand 1 b begrenzten Zylinder eintreten kann. Diese Verschiebung bzw. dieses Abheben der Nadel geschieht mittels eines Elektromagnets 34, welcher von einem elektrischen oder elektronischen Generator 35 einen Impuls empfängt, welcher zeitlich mit jedem Takt der Wärmekraftmaschine im Zusammenhang steht. Zu diesem Zweck ist der Generator 35 an die Klemmen 18 einer Wicklung angeschlossen, welche so ausgeführt ist, wie für den gleichen Zweck im Fall von Fig. 3 beschrieben worden ist.

Wenn die in der Spule des Elektromagnets induzierte Spannung den festgelegten Wert überschreitet, wird ein Diskriminator in Tätigkeit gesetzt, der mit dem Impulsgenerator 35 kombiniert ist, um die Dauer der Impulse zu verringern. Dies bewirkt, daß die Menge der eingespritzten Flüssigkeit abnimmt, bis sich die Spannung an den Klemmen 18 wieder auf dem festen Wert oder wenigstens innerhalb des Bereichs der festgelegten Werte befindet.

In Fig. 1 sind die elektromechanischen Hilfseinrichtungen zur Steuerung des Motors, die z. B. in Fig. 3 und 4 dargestellt sind, durch ein Rechteck C angedeutet, welches elektrisch an die Klemmen 18 angeschlos sen und mechanisch mit dem Zylinder 1 über eine Verbindung verbunden ist, die schematisch durch die Linie D angedeutet ist.

Bevor nun im folgenden die Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung auf die Synchronisierung für die beiden zusammengehörigen Kolben des Zylinders einer Freikolbenmaschine beschrieben wird, sollten zuvor einige bekannte Angaben über eine derartige Synchronisation gebracht werden. ίο Es ist bekannt, daß die Ausführung von Freikolbenmotoren sehr häufig dazu führt, daß jeder Zylinder dieses Motors zwei Kolben enthält, welche einander entgegengesetzt wirken und die man daher als zusammengehörige Kolben bezeichnet. Jeder dieser Kolben ist ferner mit einer beweglichen Einrichtung verbunden, deren Aufbau je nach der besonderen Art des betreffenden Motors veränderlich ist. Die Anbringung von zwei Freikolben oder von zwei beweglichen zusammengehörigen Einrichtungen führt zu einem Gleichgewicht der dynamischen Kräfte, das sonst nur sehr schwer in ebenso glücklicher Weise gefunden werden kann.

Jedoch ist es andererseits auch bekannt, daß es beinahe immer notwendig erschien, eine Synchronisierung der entgegengesetzten Bewegung der beiden beweglichen Einrichtungen zu erzeugen, so daß dieser Synchronismus eine Symmetrie der Bewegungen gewährleistet. Beim Fehlen einer solchen Synchronisierungseinrichtung erleiden die Bewegungen der beiden beweglichen Einrichtungen sehr häufig Phasenverschiebungen, welche für den guten Lauf des Motors nachteilig sind.

Eine derartige Synchronisierung geschieht meistens mittels einer mechanischen Vorrichtung, welche symmetrische Pleuelstangen aufweist, die miteinander über ein geeignetes Getriebe gekoppelt sind. Jedoch werden diese Pleuelstangen sehr starken Beschleunigungen ausgesetzt, und sie bilden ein schwerwiegendes Hindernis für den Betrieb dieser Freikolbenmaschinen bei erhöhten Drehzahlen.

Man kennt ferner eine andere Synchronisierungseinrichtung für die beiden zusammengehörigen Kolben. Diese besteht aus einer pneumatischen Einrichtung, welche auf die üblichen Luftpolster der Freikolbenmotoren einwirkt. Eine solche Einrichtung kann dann entweder elektrisch oder mechanisch gesteuert werden. Die Anwendung der Erfindung für die Synchronisierung der zusammegehörigen Kolben erfolgt dadurch, daß an jeder der mit einem Kolben verbundenen beweglichen Einrichtungen wenigstens ein magnetisches Organ angebracht wird (das eventuell in zwei oder mehrere Teile unterteilt ist), wobei dieses Teil eine Rolle spielt, welche derjenigen der Teile 14ß und 14 b analog ist. Diese Teile gehören zu einem elektromagnetischen Kreis der beschriebenen Art, der jeweils dem entsprechenden Kolben besonders zugeordnet ist. Daraus ergibt sich die Einwirkung von elektromagnetischen Kräften auf jedes der beiden in Frage stehenden ferromagnetischen Organe in einer Richtung, in welcher jede Phasenverschiebung herabgesetzt wird, welche zwischen den beiden beweglichen Einrichtungen auftritt.

Vorzugsweise enthalten die beiden elektromagnetischen Kreise eine gegenseitige elektrische Kopplung, welche eine Übertragung von "elektrischer Energie aus dem einen in den anderen elektrischen Kreis bewirkt, wenn eine Phasenverschiebung der magnetischen Organe auftritt.

Ferner geschieht zweckmäßig die Überführung der elektromagnetischen Energie von dem einen in den

anderen der beiden elektromagnetischen Kreise entweder über eine Verbindung, welche zwischen den jeweiligen Mittelpunkten der Wicklungen oder Wicklungsgruppen besteht, welche zu jedem der beiden elektromagnetischen Kreise gehören, und/oder durch eine doppelte Verbindung, mit welcher zwei Wicklungen (oder Wicklungsgruppen) einander entgegengeschaltet sind, welche jeweils auf dem dritten Schenkel jedes der elektromagnetischen Kreise angebracht sind.

In Fig. 5 ist diese Anwendungsart der Erfindung auf die Synchronisation der beiden zusammengehörigen Kolben eines Zylinders 36 einer Freikolbenmaschine dargestellt, wobei dieser Zylinder zwei Kolben 37 und 38 enthält, welche sich normalerweise in entgegengesetzter Richtung verschieben, wie oben ausgeführt worden ist. Ferner sind an diesem Zylinder zwei Einlaßöffnungen 39 und zwei Umgehungskanäle 40 dargestellt. Die Auslaßöffnungen, welche nicht in der Zeichenebene liegen, sind in der Darstellung nicht zu erkennen.

Jeder Kolben 37, 38 ist mit einer starren Kraftübertragungseinrichtung 41, 42 verbunden. Diese betätigt alle Organe oder Mechanismen, welche durch den Freikolbenmotor betätigt werden müssen, wozu beispielsweise ein Kompressor oder eine Übertragungseinrichtung für die mechanische Energie gehört. Diese Teile bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung, und es ist im vorliegenden Fall angenommen, daß sie in den Ausschnitten 41 α und 42α liegen, welche in jeder der starren Kraftübertragungseinrichtungen 41 und 42 andeutet sind.

Ferner ist ein Luftpolster zur Rückführung der Kolben zu ihrem inneren Totpunkt (d. h. auf die Mitte des Zylinders 36 hin) mit jeder der starren Übertragungseinrichtungen 41., 42 verbunden. Dieses ist hier wie in Fig. 1 in der üblichen Form eines Zylinders 43, 44 mit einem Kolben 45, 46 dargestellt, welcher am Ende jeder der starren Übertragungseinrichtungen angebracht ist.

Die Synchronisationseinrichtung wird durch magnetische Platten 47., 48 od. dgl. gebildet, welche an jeder der starren Übertragungseinrichtungen 41, 42 angebracht sind. Diese Platten treten jeweils in einen elektromagnetischen Kreis ein, der bei dieser Ausführungsart mit gewissen Abänderungen gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten elektromagnetischen Kreis ausgeführt ist, wie noch erläutert wird.

Die beiden magnetischen Kreise, welche identisch sind, enthalten jeweils drei Schenkel 49a, 50α, 51α bzw. 49 δ, 50 b, 51b. Die beiden ersten Schenkel 49 a, 49 & bzw. 50 a, 50 & sind einander gleich und durch einen großen Luftspalt unterbrochen, in welchen abwechselnd die magnetische Platte 47 bzw. 48 eingeführt wird. Der dritte Schenkel 51 α, 51 b jedes Magnetkreises ist nicht aufgeschnitten. Es ist ferner offensichtlich, daß dann, wenn jeder dritte Schenkel in der Längsachse der Einrichtung liegt, wie in der Zeichnung dargestellt ist, die starre Verbindung 41, 42 an der entsprechenden Stelle eine Art Gabel aufweist, durch welche der dritte Schenkel 51 α bzw. 51 b verläuft.

Der Schenkel 49a, 49 & jedes magnetischen Kreises wird durch eine Wicklung 53 α bzw. 53 b erregt, welche gegebenenfalls in mehrere Abschnitte unterteilt sein kann, während die Schenkel 50a bzw. 50 & durch eine Wicklung 52 α bzw. 52 & erregt werden, die der Wicklung 53 α bzw. 53 b gleicht (und dementsprechend gegebenenfalls in gleicher Weise unterteilt sein kann), mit der Ausnahme, daß der Wicklungssinn gegebenenfalls entgegengesetzt sein kann.

Diese beiden Wicklungen jedes elektromagnetischen Kreises liegen in Serie miteinander, und sie werden von einer Spannungsquelle 54 a bzw. 54 & mit Gleichstrom versorgt, welche in dem elektrischen Kreis 55 a, 56 a bzw. 55 6, 56 & liegt, der die Wicklungen enthält. Der Anschluß und/oder der Wicklungssinn der beiden Wicklungen 52 α und 53 a erfolgt derart, daß die Wicklungen in dem dritten Schenkel 51 α des magnetischen Kreises entgegengesetzte Flüsse zu erzeugen

ίο suchen. Die beiden ersten Schenkel verhalten sich also wie veränderliche magnetische Widerstände, und sie erzeugen in dem dritten Schenkel einen wechselnden Magnetfluß, da der dritte Schenkel einen konstanten magnetischen Widerstand besitzt und von der Summe der in den beiden anderen Schenkeln erzeugten Flüsse durchflossen wird. Gleichartige Wirkungen treten in dem elektromagnetischen Kreis 49 b, 50 b, 51 b auf.

Jedoch ergibt es sich aus der Hin- und Herbewegung der Platte 47, daß bestimmte elektromotorische Kräfte in den Wicklungen 52 a und 53 a induziert werden, wie auch von der Platte 48 in den Wicklungen 52 & und 53 b. Man versteht also, daß dann, wenn die gesamte Anordnung eine symmetrische Struktur zu beiden Seiten der Achse E-E besitzt und wenn bestimmte Punkte der Wicklungen des einen Magnetkreises elektrisch mit entsprechenden Punkten der Wicklungen des anderen Magnetkreises verbunden sind, praktisch kein elektrischer Strom über die entsprechenden Leitungen fließen kann (die daher als »Gleichgewichtsverbindung« bezeichnet werden können) , solange die Bewegungen der beiden beweglichen Einrichtungen in Phase sind. Wenn jedoch die eine der beweglichen Einrichtungen beginnt, gegenüber der anderen eine Phasenverschiebung anzunehmen, erzeugt der Unterschied der in den beiden Wicklungsgruppen induzierten elektromotorischen Kräfte einen Stromfluß über die Gleichgewichtsverbindung. Dieser Strom überträgt auf die verzögerte bewegliche Einrichtung eine Energie, welche von der anderen beweglichen Einrichtung entnommen wird, und die so übertragene mechanische Energie steigt einerseits sehr schnell auf einen beträchtlichen Wert an, wenn die Punkte an den Enden der Gleichgewichtsverbindung entsprechend gewählt sind, und andererseits wächst sie sehr schnell auf einen beträchtlichen Wert, wenn die Phasenverschiebung zunimmt. Daraus ergibt es sich, daß die so gebildete Synchronisationseinrichtung sowohl hinsichtlich ihrer großen Synchronisationswirkung, die sie erzeugen kann, als auch wegen der Tatsache, daß die mechanischen Synchronisationskräfte nur auf die Organe einwirken, welche sie von sich aus tragen, außerordentlich vorteilhaft ist.

Es wurde weiter oben ausgeführt, daß die Gleichgewichtsverbindung an verschiedenen Stellen vorgesehen werden kann. Gemäß der in dieser Zeichnung dargestellten Ausführungsart liegt die Gleichgewichtsverbindung 57 zwischen den Mittelpunkten der Wicklungsgruppe 52 α, 53 α einerseits und der Wicklungsgruppe 52 &, 535 andererseits. Bei geringen Klemmen- spannungen 54 α bzw. 54 & für die Erregung (welche im übrigen zweckmäßig von einer einzigen Quelle abgegriffen werden) ist die Potentialdifferenz, die zwischen den Enden der so gebildeten Gleichgewichtsverbindung auftritt, um einige Faktoren größer als der Wert der Spannung bei 54 a, 54 & bei einer linearen Phasenverschiebung der beiden Beweglichen Einrichtungen, die nur einige Prozent des Gesamthubes jeder der beiden Einrichtungen beträgt.

Bei einer anderen Ausführungsart wird die Gleichgewichtsverbindung nicht zwischen zwei einander ent-

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sprechenden Punkten an der Wicklungsgruppe 52 α, α einerseits und an der Wicklungsgruppe 52 b, 53 b andererseits angebracht, sondern es wird ein entsprechendes Gleichgewicht mit den gleichen Wirkungen zwischen den Wicklungen oder Teilen von Wicklungen gebildet, die auf dem dritten Schenkel 51 α des einen Magnetkreises und auf dem dritten Schenkel 51 b des anderen Magnetkreises angebracht werden.

Derartige Wicklungen auf den dritten Schenkeln sind bei 58 a bzw. 58 b dargestellt, wobei ihre Klemmen bei 59 und 60 gegeneinandergeschaltet sind.

Man kann dann ferner gegebenenfalls gleichzeitig den Gleichgewichtszustand über die Leitung 57 für die ersten beiden Schenkel jedes Magnetkreises und über die Leitung 59, 60 für den dritten Schenkel jedes Magnetkreises herbeiführen, während in anderen Fällen die beiden Verbindungen getrennt verwendet werden können.

Die elektromagnetischen Kreise der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtungen sind von Gehäusen 61a und b umgeben. Ferner ist ein Abgriff für die Spannung für die HilfsSteuereinrichtung, der analog dem Abgriff 18 von Fig. 1 ist, bei 18 a an der Gleichgewichtsverbindung 59, 60 dargestellt. Man erhält also unabhängig von der Anwendungsart und der gewählten Ausführungsart Mittel und Einrichtungen zur Steuerung von Freikolbenmotoren, insbesondere zur Drehzahlregelung und zur Synchronisation der zusammengehörigen Kolben, wobei sich die Merkmale und die Wirkungsweise dieser Einrichtungen aus der vorstehenden Beschreibung ergeben.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Regelung eines Freikolbenmotors, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Magnetkreis mit drei magnetisch miteinander verketteten Schenkeln enthält, in dessen erstem Schenkel (12 bzw. 51a), der eine elektrische Ankerwicklung (17 bzw. 58 a) trägt, ein magnetischer Wechselfluß erzeugt wird, während ein zweiter und ein dritter Schenkel (Ua, Hb bzw. 49α, 50α) mit Hilfe einer Feldwicklung (15 a, 15 b bzw. 52 a, 53 α) erregt werden, daß die Feldwicklungen des zweiten und des dritten Schenkels im ersten Schenkel Magnetflüsse von entgegengesetzter Richtung zu erzeugen suchen und der zweite und der dritte Schenkel durch einen Luftspalt unterbrochen sind, in den durch eine hin- und hergehende Bewegung periodisch ein ferromagnetisches Teil (14 a, 14 & bzw. 47) so eingeführt wird, daß in den beiden Schenkeln die magnetische Kontinuität abwechselnd wiederhergestellt wird und dadurch Änderungen des magnetischen Widerstands in jedem der Schenkel erzeugt werden, daß das ferromagnetische Teil mit wenigstens einem der Kolben (6 bzw. 37) des Motors starr verbunden ist, daß der elektromagnetische Kreis eine Beziehung zwischen den Änderungen der Spannung oder des Stromes wenigstens einer der Wicklungen einerseits und der Hin- und Herbewegung des ferromagnetischen Teils andererseits herstellt und daß Hilfseinrichtungen (23, 25 bzw. 57) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem bestimmten Merkmal der Spannungs- oder Strömänderungen der betreffenden Wicklung auf wenigstens ein Steuerorgan des Motors einwirken.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung eines Freikölbenmotors, der eine Brennstoffzuführungseinrichtung enthält, die Hilfseinrichtungen ein elektrisch erregtes Organ enthalten, das in Abhängigkeit von einem Merkmal der Spannungs- bzw. Stromänderungen erregt wird und mechanisch auf wenigstens ein Teil der Brennstoffzuführungseinrichtung für den Motor einwirkt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch erregte Organ

ίο ein Elektromagnet mit Tauchkern ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet eine Feder enthält, welche auf den Tauchkern einwirkt, und daß das Teil der Brennstoffzuführungseinrichtung des Motors, auf welches der Elektromagnet einwirkt, eine Drosselklappe ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet von einem Impulsgenerator gesteuert wird und daß das Teil der Speiseeinrichtung des Motors, auf welches der Elektromagnet einwirkt, eine Einspritzeinrichtung für den Brennstoff ist.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eigenschaft, von welcher die Steuereinrichtung abhängt, die Frequenz der Spannungs- oder Stromschwankungen ist und daß die Hilfseinrichtung einen Diskriminator enthält.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Zylinder des Motors zwei zusammengehörige Kolben (37, 38) enthält und daß jeder der beiden Kolben starr mit wenigstens einem beweglichen ferromagnetischen Organ (47, 48) verbunden ist, welches mit einem von zwei elektromagnetischen Kreisen zusammenwirkt, und zwar mit demjenigen, welcher dem entsprechenden Kolben speziell zugeordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation der beiden zusammengehörigen Kolben des Zylinders die Hilfseinrichtungen der Steuerungsvorrichtung in jedem elektromagnetischen Kreis eine Kraft erzeugen, welche auf ein ferromagnetisches Organ dieses Kreises in einer solchen Richtung einwirkt, daß eine gegebenenfalls auftretende Phasenverschiebung zwischen den beiden ferromagnetischen Organen (47, 48) der beiden zusammengehörigen Kolben verringert wird.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfseinrichtungen aus einer elektrischen Kopplung zwischen zwei zusammengehörigen Wicklungen bestehen, welche jeweils einem der beiden elektromagnetischen Kreise zugeordnet sind.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kopplung entweder über eine Eindrahtverbindung (57) geschieht, welche die normalerweise auf dem gleichen Potential liegenden Punkte von wenigstens zwei zusammengehörigen Wicklungen verbindet, oder über eine Zweidrahtverbindung (59, 60), mit welcher die beiden Wicklungen an ihren Enden gegeneinandergeschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 750 440, 442 656,
391,80 539.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen