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Freikolbenmotor mit Energiespeicher als Rückstelleinrichtung Die Erfindung
bezieht sich auf einen Freikolbenmotor mit wenigstens einem Antriebskolben, der
sich in einem Arbeitszylinder unter der Wirkung einer Explosion bewegt und starr
mit einem Hilfskolben verbunden ist, der sich in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten
Hilfszylinder bewegt.
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Bei bekannten Freikolbenmotoren dieser Art dienen der Hilfskolben
und die hydraulische Anlage zur Übertragung der Kolbenbewegung auf eine rotierende
Welle. Zu diesem Zweck arbeiten drei Freikolben auf einen Sternmotor. Die Rückstellung
des Freikolbens erfolgt in diesem Fall durch den Arbeitstakt eines anderen Kolbens.
Wenn nur ein einziger Kolben vorhanden wäre, müßte ein Schwungrad vorgesehen werden,
damit die im Schwungrad gespeicherte Energie die Rückstellung des Kolbens bewirken
könnte.
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Es sind andererseits Freikolbenmotoren bekannt, bei denen eine pneumatische
Federung zur Rückstellung des Kolbens vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist ein Luftvolumen
vorgesehen, das beim Arbeitstakt des Kolbens komprimiert wird. Die in der komprimierten
Luft gespeicherte Energie wird dann für die Rückstellung des Kolbens ausgenutzt.
Ein Nachteil dieser Lösung ist der verhältnismäßig große Raumbedarf, der dadurch
verursacht wird, daß das LuftvolumenzurErzielung einer ausreichendenFederwirkung
verhältnismäßig groß sein muß. Dementsprechend sind auch die benutzten mechanischen
Teile, wie Hilfszylinder und Hilfskolben, groß und schwer. Ein weiterer Nachteil
der Luftfederung ist die rasche Erwärmung der Luft bei fortschreitender Kompression.
Die Wärme kann nicht wieder vollständig in mechanische .Energie zurückverwandelt
werden. Dieser Energieverlust bedingt eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des
Freikolbenmotors.
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Bei Brennstoffpumpen ist es an sich bekannt, eine hydraulische Federung
zur Rückstellung eines Kolbens zu verwenden. Eine Übertragung der hydraulischen
Federung auf Freikolbenmotoren zum Ersatz der pneumatischen Federung ist jedoch
bisher noch nicht erfolgt, weil ein einfacher Austausch keine befriedigende Lösung
ergibt. Eine wesentliche Schwierigkeit ist hierbei insbesondere die der hydraulischen
Federung praktisch mangelnde Progressivität, die für die Rückführung des Freifiugkolbens
erwünscht wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die hydraulische Federung
für die Rückstellung von Freikolben nutzbar zu machen.
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Bei einem Freikolbenmotor der eingangs angegebenen Art wird dies nach
der Erfindung dadurch erreicht, daß der den Hilfszylinder bildende Raum im wesentlichen
geschlossen und derart bemessen ist, daß die Flüssigkeit bei jedem Hub des Hilfskolbens
auf einen Druck kompromiert wird, der zwischen 100 und 5000 kg/cm2, vorzugsweise
zwischen 1000 und 2500 kg/cm2, liegt, so daß die Rückstellung des Antriebskolbens
zu seinem inneren Totpunkt durch die in der - komprimierten Flüssigkeit gespeicherte
Energie bewirkt wird, und daß der den Hilfszylinder bildende Raum mehrere Kompressionskammern
enthält, die beim Arbeitshub -des Antriebskolbens nacheinander dadurch voneinander
isoliert werden, daß der Hilfskolben die Verbindungsöffnungen zwischen diesen Kammern
und dem Rest des Hilfszylinders verschließt, so daß die Flüssigkeitsmenge, die unter
der Wirkung des Hilfskolbens eine Volumenänderung erleidet, fortschreitend verringert
wird.
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Infolge der Anwendung einer- komprimierten Flüssigkeit für die Kolbenrückstellung
ist das benötigte Volumen sehr viel kleiner als bei einer pneumatischen Federung.
Hilfszylinder und Hilfskolben sind daher bei vergleichbaren Maschinenleistungen
wesentlich
kleiner und leichter. Ferner erwärmt sich die Flüssigkeit
bei der Kompression praktisch nicht, so daß der Wirkungsgrad des Motors durch die
hydraulische Federung nicht beeinträchtigt wird. Die Unterteilung des Hilfszylinders
in mehrere Kammern ermöglicht es, die Federkennlinie der optimalen Kurve weitgehend
anzunähern.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der hydraulischen Federung besteht
darin, daß die Kompression der Flüssigkeit zu weiteren Zwecken herangezogen werden
kann. So besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, daß die der
Kompression unterworfene Flüssigkeit der Brennstoff des Motors ist und daß der den
Hilfszylinder bildende Raum mit einer Leitung verbunden ist, welche den komprimierten
Brennstoff der Einspritzvorrichtung der Verbrennungskammer des Motors zuführt. Die
hydraulische Federung ersetzt in diesem Fall die Brennstoffeinspritzpumpe.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß wenigstens ein Teil der
einer Kompression ausgesetzten Flüssigkeit das Schmieröl des Motors ist und daß
der den Hilfszylinder bildende Raum mit dem Schmiersystem des Motors verbunden ist.
Dadurch entfällt die sonst erforderliche Schmierölpumpe des Motors.
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Bei Freikolbenmotoren mit pneumatischer Federung ist es an sich bekannt,
mehrere Freikolben dadurch zu synchronisieren, daß die Hilfszylinder durch eine
Leitung miteinander verbunden werden. Eine entsprechende Maßnahme läßt sich auch
bei der hydraulischen Federung anwenden, indem die beiden Hilfszylinder miteinander
über wenigstens eine Leitung verbunden sind, welche die übertragung des hydrodynamischen
Druckes von dem einen Hilfszylinder zu dem anderen Hilfszylinder und damit eine
Synchronisation der entgegengesetzt gerichteten Bewegungen der beiden Hilfskolben
ermöglicht. Die hydraulische Synchronisation erweist sich dabei wegen der wesentlich
größeren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwellen einer pneumatischen Synchronisation
überlegen.
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Schließlich ist bei der hydraulischen Federung eine Änderung des Kolbenhubes
möglich. Zu diesem Zweck wird einfach eine Einrichtung zur Regelung des Volumens
der komprimierten Flüssigkeit vorgesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Abbildung
der Zeichnung dargestellt, die einen Längsschnitt durch einen Freikolbenmotor zeigt.
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In der Zeichnung ist der Zylinder 1 eines Freikolbenmotors dargestellt,
in welchem sich die einander entgegenwirkenden Kolben 2 und 3 verschieben. Der Zylinder
enthält Einlaßöffnungen 4 und ein Auslaßrohr 5 in an sich bekannter Weise.
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Jeder Kolben ist starr mit einem bewegten System 6 bzw. 7 verbunden,
dessen mittlerer Abschnitt, der gegebenenfalls die Führungs- und Übertragungsorgane
enthält, keinen Teil der Erfindung bildet und daher in der Zeichnung nicht dargestellt
ist. Es sei angenommen, daß sich dieser Abschnitt an den Schnittstellen
6 a bzw. 7 a befindet. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist es sehr
häufig nötig, daß die bewegten Systeme 6 bzw. 7 und ihre Antriebskolben 2 bzw. 3
durch besondere Vorrichtungen zur Mitte des Motorzylinders hin zurückbewegt werden.
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Zu diesem Zweck sind zwei zylindrische Hilfskolben 8 bzw. 9 vorgesehen,
die sich in einem dichten, metallischen Gehäuse 10 bzw. 11 verschieben. Das Gehäuse
ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die durch den Hilfskolben 8 bzw. 9 komprimiert
wird.
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Gemäß einer besonderen, bei dem Ausführungsbeispiel angenommenen Ausführung
ist die in den metallischen Gehäusen 10 bzw. 11 komprimierte Flüssigkeit der Brennstoff
des Motors. Diese Flüssigkeit kommt von dem Brennstoffbehälter über die Leitungen
12 bzw. 13. Zwei weitere Leitungen 14 bzw. 15, die Ventile
16 bzw. 17 enthalten, leiten einen Teil dieser komprimierten Flüssigkeit
zur Einspritzvorrichtung 18 des Motors, wodurch die Speisung des Motors mit
Brennstoff gewährleistet wird. Die Mündung der Leitungen 14 bzw.
15 ist im Metallgehäuse 10
bzw. 11 an einer Stelle angebracht, an welcher
der Druck der Flüssigkeit in dem Augenblick, in dem der Kolben 8 bzw. 9 diese Mündung
abdeckt, gerade der Druck ist, der zum Betrieb der Einspritzvorrichtung 18 notwendig
ist, wenn die Verluste zwischen der Vorrichtung 18 und dieser Mündung berücksichtigt
werden.
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Bei dem dargestellten Beispiel enthält gemäß der Erfindung das dichte
Gehäuse außer der Hauptkompressionskammer 19 bzw. 20 eine Zusatzkompressionskammer
21 bzw. 22 von ringförmiger Gestalt, deren Verbindungsöffnungen 23 bzw. 24 zur Hauptkammer
durch den Kolben 8 bzw. 9 abgeschlossen werden, wenn dieser in die
komprimierte Flüssigkeit eindringt, d. h. wenn sich die Antriebskolben 2 und 3 voneinander
entfernen. Wenn die Verbindungsöffnungen verschlossen sind, bleibt der Druck in
der Hilfskammer 21 bzw. 22 im wesentlichen konstant, während er in den Hauptkammern
19 bzw. 20 weiter zunimmt, und zwar schneller, als wenn die öffnungen
nicht verschlossen wären. Dementsprechend hat die Anordnung die Wirkung, daß gegen
das Ende des Hubs der bewegten Systeme die Wirkung stärker wird, als wenn unter
sonst gleichen Bedingungen diese Vorkehrung nicht getroffen wäre. Demzufolge ändert
sich ferner der Hub der bewegten Systeme infolge dieser Anordnung nur gering, wenn
infolge einer Änderung in der Steuerung des Motors die in der Rückstellvorrichtung
gespeicherte Energie geändert wird.
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In der Zeichnung ist noch eine Anwendungsmöglichkeit der Erfindung
dargestellt, nämlich die Anwendung auf ein System zur Synchronisation der entgegengesetzten
Bewegungen der beiden bewegten Systeme eines Zylinders des Freikolbenmotors. Diese
Synchronisationseinrichtung wird dadurch gebildet, daß über eine Verbindungsleitung
25 od. dgl. die beiden dichten Kammern 19 und 20, in denen die Flüssigkeit durch
die bewegten Systeme unter hydrostatischen Druck gesetzt wird, miteinander verbunden
werden. Durch die Anbringung einer solchen Verbindungsleitung treten dynamische
Wechselwirkungen auf, welche die synchrone Bewegung der beiden bewegten Systeme
aufrechterhalten. Die Leitung bewirkt eine übertragung von Energie von demjenigen
der beiden beweglichen Systeme, welches vorläuft, zu dem anderen bewegten System.
Dessen Hub während des Arbeitstaktes wird daher verkürzt, während der Hub des anderen
Systems verlängert wird, so daß die Energien für die Rückstellung der beiden bewegten
Systeme zu dem inneren Totpunkt des Motorzylinders in günstiger Weise verändert
werden.
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Als Beispiel für die gemäß vorstehenden Ausführungen erzielten verbesserten
Freikolbenmotoren sei folgende Zusammenstellung von Zahlenwerten gegeben. Das Beispiel
betrifft ein Versuchsmodell, das
hergestellt und erprobt wurde.
Der Zylinder dieses Versuchsmodells enthält zwei einander zugeordnete und entgegenwirkende
Kolben. Der Motor besitzt folgende Zahlenwerte:
| Leistung des Motors . . . . . . . . . 15 PS |
| Taktfrequenz des Motors ..... 100 Takte/Sek. |
| Bohrung des Motorzylinders .. 70 mm |
| Hub jedes Kolbens . . . . . . . . . . 60 mm |
| Bohrung des Hilfszylinders für |
| den Kolben 8 . . . . . . . . . . . . . . 12 mm |
| Gesamtvolumen eines Raumes |
| 19-21-23 für die hydraulische |
| Kompression (etwa im Ver- |
| hältnis von 50°/o auf die |
| Kammer 21-23 und 5011/o |
| auf die Kammer 19 verteilt) 30 cms |
| Nutzbarer Hub des hydrau- |
| lischen Polsters . . . . . . . . . . . . 24 bis 25 mm |
| Maximaler hydraulischer Druck |
| (Durchschnitt): |
| in der Teilkammer 21 etwa 800 kg/cm2 |
| anschließend an der Teil- |
| kammer 19 ...... etwa 1600 kg/cm2 |
Für die hydraulische Flüssigkeit kann auch das Schmieröl des Motors verwendet werden.
Dann kann der Hilfszylinder mit dem Schmiersystem des Motors verbunden werden, in
dem er die Funktion der sonst erforderlichen Schmiermittelpumpe übernimmt. Es ist
auch möglich, in einem Teil der Anlage Kraftstoff und in einem anderen Teil Schmieröl
für die hydraulische Federung zu verwenden. Ferner können Einrichtungen vorgesehen
werden, mit denen das Volumen der komprimierten Flüssigkeit verkleinert oder vergrößert
werden kann. Dadurch kann der Hub des Freikolbens verändert werden.