DE1937053A1 - Freikolbenmotor - Google Patents

Description

(Zusatz zu der Patentanmeldung P 15 76 04I₀5)

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bzw. Abänderungen an Freikolbenmotoren« wie sie in der Patentanmeldung P 15 76 041.5 offenbart sind.

In der genannten Stammanmeldung ist ein Frei«- kolbenmotor beschrieben,der ein Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite, in dem Gehäuse angeordnete koaxiale Kraft» und Kompressorzylinder, erste und zweite in dem Gehäuse in entgegengesetzter Richtung hin« und. herbewegbare Ausgleichsanordnungen sowie einen Synchronisator umfasst, der zum Synchronisieren und Ausgleichen eine Bewegung der ersten und der zweiten Ausgleichsanordnung in entgegengesetzter Richtung bewirkt« Der Motor ist asymmetrisch und enthalt einen Kraftkolben mit einer ersten in dem Kraftzylinder angeordneten Fliehe, eine in dem Kraftzylinder befindliche Verbrennungskammer zwischen der be«

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sagten ersten Fläche das Kraftkolbens und dam Zylinderkopf sowie einen Komprassorkolben mit ersten und zweiten in dem Kompressorsylinder angeordneten Fliehen, wobei der Kraftkolben und der Kompressorkolben au gemeinsamer Bewegung als Kolbengruppe zusammengeschlossen sind und mindestens einen Teil einer Ausgleichsanordnung bilden, die mit dem Synchronisator verbunden ist· Ferner enthält der Motor eine zweite Ausgleichsanordnung, die Teil des Synchroni« sators und mit diesem verbunden ist·

Die vorliegende Erfindung sieht Verbesserungen bzw· Abänderungen an dea in der oben genannten Patenten« meldung beanspruchten ausgeglichenen Freikolbenmotor vor, wobei bei dem verbesserten Biotor mindestens ein Koapressorkolben oder ein bewegbares Element eines sonstigen Energieverbrauchers an den Kraftkolben angeschlossen ist 12nd sich mit diesem bewegt und wobei der Kraftkolben ausserdaa an die Synchronisier- und Ausgleichsanordnung angeschlossen ist, die innerhalb des Motors zwischen dea Kraftkolben und dem Kompressorkolben bsw. dem sonstigen Energieverbraucher angeordnet ist«,

Ziel dar Erfindung ist es, einen verbesserten ausgeglichenen Freikolbenmotor zu schaffen, der sich als einfache, kompakte, varhaltnismässig kleine und leichte Krafteinheit zur Betätigung verschiedener Arten von Energieverbrauchern, etwa Kolbenverdichtern, Pampen und Generatoren, verwenden lässt· Sum Betrieb solcher Energieverbraucher sind schon bisher Freikolbenmotoren gebaut wordenf diese Motoren nach dem Stand der Technik sind jedoch gewöhnlich nur für eine einzige Enexgieverbrauchertype ausgelegt worden, und es war gewöhnlich recht schwierig, sie an einen anderen Energiövarbrauchar als den, für den sie speziell gebaut worden waren, anzupassen. .

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Freikolbenmotoren nach der vorliegenden Erfindung können als "Antriebsaggregat" eingesetzt werden, um die Leistung für verschiedene Arten von Energieverbrauchern aufzubringen, die ait einem hin- und hergehenden Krafteingang arbeiten·

Erfindungsgemlss ist ein ausgeglichener Freikolbenmotor vorgesehen, der ait nur einem einzigen Kraftkolben arbeitet und keine gegenbewegenden Hauptkolben erfordert. Dies bedeutet, dass sämtliche Hauptkolben (Kraftkolben, Puff er »Kompressorkolben oder Spill-Kompresserkolben) sich in dem Freikolbenmotor in einer einzigen Richtung zusammen mit dem hin» und her-bewegbaren Element eines Energieverbrauchers bewegen und dass nur ein in der entgegengesetzten Sichtung bewegbares Gegengewicht zum Ausgleich des Motors erforderlich ist.

Nach dem Stand UeT Technik wurden Freikolbenmotoren so gebaut, dass sämtliche Hauptkolben einschliess» lieh eines einzelnen Kraftkolbens und elnm® @d@r mehrerer Kompressorkolben gemeinsam in den jeweiligen Zylindern hin- und her bewegbar waren· Biese Motoren waren jedoch nicht dynamisch ausgeglichen und unterlagen daher Vibrationsproblemen·

Bei einigen Ausführungsformen der im folgenden beschriebenen Erfindung umfasst der Motor einen eigenen Steuerkolben* der in einem Steuerzylinder hin- und her bewegbar ist und sich zusammen mit dem Kraftkolben bewegt, um zur Gewährleistung eines zufriedenstellenden Motorbetriebs in einem grdsseren Bereich unterschiedlicher Betriebsbedingur «si ausreichende Rückkehrenergie aufzubringen, oder in anderen Worten um die richtige Energie zur Rückführung das Kraftkolbens in die gewünscht© ©bare Tot-

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punktlage aufzubringen und grössere Freiheit in der Konstruktion des Energieverbrauchera zu vermitteln. Bei an» deren Ausführungsformen kann die Energie für die Rückführung des Kraftkolbens in die obere Totpunktlage von einem als Energieverbraucher verwendeten Kompressor aufgebracht werden«

Bei den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Ausgleiche- und Synchronisationsanordnung ein aus einer Zahnstange und einem Ritzel bestehender Mechanismus, wie ei generell in der Stammanmeldung offenbart ist; wichtig ist dabei, dass diese Anordnung innerhalb des Motors zwischen dem Kraftkolben und dem Kompressorkolben bzw. dem sonstigen Energieverbraucher angeordnet ist und dass sich die Kraftanordnung zusammen mit dem Ausgleichstell der Ausgleichs- und Synchronisieranordnung, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie diese, bewegt. Diese Anordnung des Synchronisators gestattet den Bau von verschiedenen vollständig ausgeglichenen Motoren mit Einzelkraftkolben, bei denen man beispielsweise den einstufigen Kompressorteil des Motors durch den mehrstufigen Kompressor eines Generators, einer rtyarauiijcpurape oder eines sonst!« gen Energieverbrauchers, der mit einer hin-und hergehenden Kraftquelle arbeitet, ersetzen kann. Auf diese Weise können der gleiche Energieteil und die gleiche Synchronisier= und Ausgleichsanordnung ohne Abänderung als gemeinsame Komponente einer Vielzahl von Energieverbrauchern dienen·

Normalerweise wird das Gewicht des Ausgleichsteils der Ausgleichs- und Synchronisieranordnung so gewählt, dass '»s dem Gewicht der Kraftanordnung gleich ist, wobei die Wege, um die sich der Ausgleichsteil der Ausgleichs· und Synchronisieranordnung sowie die Kraftanordnung beim Betrieb des Motors bewegen, ebenfalls gleich sind, so dass in

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dem Motor dynamischer Ausgleich erreicht wird=, Gleiche Gewichte und gleiche Bewegungen sind jedoch nicht erforder» lieh, solange das Produkt aus der Summe des sich in der einen Richtung bewegenden Gewichts und ihrer WaglSmje gleich 1st dem Produkt aus der Summe des Gewichtes der Kraftanordnung und der Länge ihres entsprechenden Weges» Einer der Vorteile der bevorzugten Ausführungsform der gezeigten Ausgleichs= und Synchronisieranordnung besteht darin, dass sieh das Gewicht verhältnismässig leicht an» dem lässt, sodass dadurch das Gewicht des hin« und her» gehenden Teils eines mit dem Motor verbundenen Energie» Verbrauchers kompensiert und somit stets dynamischer Aus» gleich erzielt werden kann.

Dl© ©rfindungsgam&ssen Freikolbaruaotoren las·» sen sich also als Antriebsaggregat zum Betrieb ©inar Vielzahl von mit einem hin= und hergehenden Krafteingang ar«· bauenden Energicjvarbrauchern verwenden, da der Motor so gebaut werden kann^ dass ein Ende einer hin- und hergehenden Stange aus dam Motorgehäuse herausragt und sum Antrieb an dem Hnergievarbraucher befestigt werden kann» Bai ainig©ia Äusführungsformen ist der Energiav©rbraush©r ein Kompressor, dar direkt an dem Gehäuse befestigt wird, wobei das eine Ende d@r Stange direkt an einem Kompressor» kolben befestigt wireh

Zial dar Erfindung 1st weiterhin öin Freikolbenmotor, der vadiältnisraüssig leicht und kompakt ist und bei dom insbesondere dia erforderlich» Gesamtlänge des Mo-> toro nlchfc woseni'lich grö.ssar als das Vierfache des Hub« wages« den in dem Motor verwendeten Kraftkolbans plus dar exfordorliehen Lflnge fUr den Energleverbraucher sein raum)?

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Im folgenden sind Äusfühxungsbeispiale der Er findung anhand der Zeichnungen besehrieben; darin aeigens

FIg₀ 1 einen Vartikalschnltt durch eine Äusführungs= form eines an einen Energiöverbraucher angeschlossenen ©rfindungsgemässen Motors j

Fig» 2 einen Vertikalschnitt lings dar Linie 2-2 der Fig. Ij

Fig. 3 einen schamafcischen Vertikalschnitt einer w@i teran Ausführungsform eines mit einem Energiöirerbraucher verbundenen erfindungsgemlssen Freikolbemaotors;

Pig_a 4 einen söhsmatisehen Vertikalschnitt einer t©ran Ausfühnmgsform eines erfindungsgemässeii Freikolben motors; der an @inen doppelt wirkenden Kompressor angasßhlossen ist;

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IAD ORiGiNAL

In den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern bei den verschiedenen AusfUhrungsfor« men des Motors die gleichen oder identischen Teile bzw. Elemente. Werden ferner im folgenden die Ausdrücke "rechts", "links", "rechtsseitig* und "linksseitig" verwendet, so beziehen sich diese Ausdrücke nur auf den in den Zeichnungen dargestellten Aufbau so, wie er sich einer die Zeichnungen betrachtenden Person darstellt; die Ausdrücke dienen nur zur erleichterten Beschreibung der Erfindung.

Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Motor umfasst einen Kraftteil 12 und einen Ausgleichs» und Synchronisier» teil 13. Bei 14 ist ein Energieverbraucher schematisch dar= gestellt, der sich in Abstand rechts von dem Ausgleichs-» und Synchronisierteil 13 befindet. Der Energieverbraucher 14 kann ein Kompressor sein, wie er in Fig. 4 bis 8 dar= gestellt ist, eins Pumpe, ein Generator, eine Motorsage oder ein sonstiges6erät„ das eine hin- und hergehende Kraft verwendet bsw_o absorbiert.

Der Kraftteil 12 umfasst ein Zylindergeh&use 15, in dem ein Kraftzylinder 16 ausgebildet ist. In dem Zylinder 16 ist ein Kraftkolben 17 hin* und her bewegbar angeordnet, der eine Aussenf!Sehe 18, eine versenkte Innenfläche 19 und eine am offenen Kolbenende befindliche Seitenwand 21 aufweistβ Kolbenringe 22 dienen zur Verringerung des Gaslecks zwischen dem Zylinder 16 und dem Kolben 17.

Die linke Seite 23 des Gehäuses 15 wird von einem Zylinderkopf 24 verschlossen, der von mehreren BoI= zen 25 gehalten ist. In dem Zylinder 16 befindet sich eine Verbrennungskammer 26«

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In dem Motor 11 ist eine herkömmliche Kraftstoff- Einspritzeinheit 27 in einer Mittelöffnung 28 in dem Kopf 24 so angeordnet, dass ihr inneres Ende mit der Kammer 26 in Verbindung steht« Bei richtiger Wahl von Rückkehrenergie, resultierender Luftkompression und Kraftstoffeinspritzung lasst eich der Motor entsprechend den Arbeitsprinzipien eines herkömmlichen Dieselmotors betreiben; bei entsprechender Veränderung der Rückkehr energie sowie bei Einführung einer herkömmlichen Zündkerze mit zugehörigem herkömmlichen Zündsystem und eines herkömmlichen Vergasers odar Kraftstoff-Einspritzsystems kann die Verbrennung auch entsprechend den Prinzipien eines herkömmlichen Motors mit Zündkerze oder geschichteter Ladung erfolgen.

Das Gehäuse 15 umfasst ferner einen angeformt ten, radial nach aussen verlaufenden Abschnitt 29, der eine um das rechte Ende 32 des Zylinders 16 gebildete generell ringförmige Kammer 31 enthält. Die Kammer 31 steht mit dem Seitenabschnitt 33 des Zylinders 16 rechts von der Innenflache 19 des Kolbens 17 in Verbindung. Die rechte Seite des Gehäuseabschnitts 29 ist durch mehrere Bolzen 35 an einer Wand 34 befestigt, so dass die Wand sowohl die rechte Seite der Kammer 31 als auch die linke Seite des Synchronisierteils 13 verschliesst.

In der Wand 34 ist eine Mittelöffnung 36 derart ausgebildet, dass ihre mittlere Längsachse zu der des Zylinders 16 koaxial ist. In der öffnung 36 sind herkömmliche Wellendichtungen 37 zur Verringerung der Leckströmung von Gas oder Schmiermittel angeordnet· In der Wand 34 ist ferner ein herkömmliches Einweg-Ventil 38 angeordnet, das einen Eintritt oder ein Einsaugen von Luft oder Gas aus dem Innern des Synchronisierteile 13 in die Kam» mer 31 gestattet.

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In dem Gehäuse 15 sind herkömmliche Einwegven» tile, von denen eines bei 39 schematiseh gezeigt ist» an» geordnet, die den Eintritt von Luft ader einem Brennstoff» Luft-Gemisch in die Kammer 31 steuern· Mehrere Einlass» öffnungen, von denen eine bei 41 gezeigt ist, sind in dsm Gehäuse 15 ausgebildet und gestatten eine Strömung der Luft hz\u des Semisches von der Kammer 31 in die Kammer des Zylinders 16. Ferner sind in dem Gehäuse 15 mehrere Auslassöffnungen, von denen eine bei 42 gezeigt ist, ausgebildet, die den Austritt der Verbrennungsgas-B von dar Verbrennungskammer 26 des Zylinders 16 aus gestatten» Um ein richtiges Ablassen au gewährleisten, sind die öffnungen 42 näher an d@r linken Seite 23 des Gehäuses 15 als die Öffnungen 41 angeordnet» Bezüglich der Verbrennungskammer 26 sind die öffnungen 41 und 42 so angeordnet? dass di© Kammer 26 beim normalen Motorbetrieb entsprechend gespült wird,

Der Kolben 1? steuert di© Luft» bzw* Gasströmung durch die Öffnungen 41 und 42· Zusätzlich gestattet die Verbindung zwischen dem Endabschnitt 33 des Zylinders 16 und der Kammer 31, dass der Kolben 17 eine Spülpumpwir=> kung für den Motorabschnlfct 12 aufbringt, Bewegt sich mit anderen Worten der Kolben 17 aus der in FIg» I gezeigten Stellung nach links, so wird Luft bzw. Gamlseh durch das Ventil 39 in die Kammer 31 sowie den Endabsehnifct 33 des Zylinders 16 gesogen. Wenn die Verbrennung in der Kammer 26 den Kolben 17 gamäss FLg, 1 nach rechts treibt, komprimiert der Kolben die Luft bzw, das Gemisch in dem Endabschnitt 33 des Zylinders IB und aomit in der Kammer 31, so dass bei Freigabe der Öffnungen 41 und 42 durch den Kolben die Kaiuiaor 31 eine Quelle von unter Druck stehen» der Luft tasv/o unter Druck stehendem Garnison säur Spülung dar Kammer 26 darstellt.

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Dar Kolben 17 und sämtliche übrigen Hauptkol» ben (Kraftkolben, Spülkompressorkolben oder Pufferkompres» sorkolban) sind Teil einer Kraf^anordnung 43* dia weiterhin alle übrigen Teile das Motors und des Enercjieverbrau" chers umfasst, di© mit dem Kraftkolben 17 verbunden sind und sich mit diesem bewegen,

Dar Kolben 17 1st am linken Ende einer Stange 44 mittels eines Boisan 45 befestigt· Das rechte Ende der Stange 44 ist: an dem linken Ends eines doppelten Zahns tangenelementas 16 angebracht, mit dessen rechtem. Ende ein Steuerkolben 47 verbunden ist* Eine aweite Stange 48 ist an der rächten Saite des Kolbens 47 angeschlossen und verbindet den Kolban 47 mit dem hin= und herbawegbaran Teil das'EnargievQrbrauchers 14* Somit umfasst bei dam Motor 11 die Kraftanordnung 43 den Kraftkolben 17, die Stange 44, das doppelte Zahns tanganaleaiant 4B, d©n Stauerkolben 47, dia WqIIq 48 und den hin- und harbewacjbaran Abschnitt des Enargieverbrauchers 14 zusammen mit dem Bolzen 45,- sonatiqon Elementen,- die zur Verbindung ä&r oben genannten Teile dian@n,. sowie de η auf den Kolben angeordneten Kolben« ringen. Dia Komponenten der Kraftanordnung 43 sind im folgenden genauer beschrieben«

Die den Kraftkolben 17 mit dem doppelten Zahn-stangenelement 46 verbindende Stange_ 44 erstreckt sich durch die in dar Wand 14 ausgebildete öffnung 36 in dan Synchronisierten 13 und ist durch in der öffnung 36 ange* ordnete herkömmliche Wollend!ehtungen 37 abgsdieiltet, um den Leckstrom won Ga;? oder Schmiermittel zwischen der Stan* ge und der öffnung ,io klein wie möglieh ku machen.

Der-Oynchronisiörteil" 18 uiafa?3st ein ClahÄuae 49^ daa i.at=htseeitig von aiiter iitLruwand 11

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wird, die, wie in Fig« 1 .gezeigt, an die Mantelwand 52 des Gehäuses angeformt ist. In der Stirnwand Sl ist eine mittige Stufenöffnung S3 derart ausgebildet, dass sie das mit einem Flansch versehene rechte Ende 54 eines Steuerzylinders 55 aufnimmt. Die mittleren Langsachsen der Zylinder 16 und 55 sind koaxial»

An der rechten Seite der Stirnwand 51 ist eine Verschlusswand 56 durch mehrere Bolzen, von denen zwei bei 57 gezeigt sind, befestigt, so dass die Wand 56 das rechte Ende des Steuerzylinders 55 abschliesst. Die Wand 56 weist eine Öffnung §8 auf, die so angeordnet ist, dass ihre mittlere Achse zur Mittelachse der Öffnung 53 koaxial ist. Die zweite Stange 48 erstreckt sich durch die Öffnung 58 in der Wand 56 hindurch, und eine herkömmliche Wellendichtung 59 ist in der Öffnung 58 montiert«

Der Steuerkolban 47 ist in dem Steuerzylinder 55 montiert. BIe Länge des Steuerzylinders 55 ist etwas grosser als der grösstmögliche Hubweg des Kolbens 17 und damit des Steuerkolbens 47, so dass der Steuerkolben 47 stets in dem Steuerzylinder 55 bleibt. Um den Kolben 47 herum sind herkömmliche Kolbendichtungen 61 angeordnet«

Der Steuerkolben 47 wirkt als positiven Pufferkolben in dem Zylinder 55. Das linke &nde des Zy° linders 55 öffnet sich in das Innere des Gehäuses 49. Der Steuerkolben 47 arbeitet in dem Zylinder 55 unter bestimm« tem Kompressionsverhältnis, so dass ausreichende Rückkehr« energie dadurch erzielt wird, dass die Pufferkammer 60, d.h. der Raum im Zylinder 55 zwischen dem Steuerkolben 47 und der Wand 56 mit Gas oder Luft von genügendem Druck versorgt wird, um den Kolben 17 in seine Zündstellung im Zylinder 16 zurückzuführen. Mit anderen Worten bedeutet

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dies, dass der Steuerkolben 47 und der Steuerzylinder 55 dazu bestimmt sind, die erforderliche Rückkehrenergie für den Kolben 17 zu vermitteln, damit der Motor nicht davon abhängig ist, diese Rückführungsenergie τοη dem Energie« verbraucher 14 zu empfangen· Der Durchmesser des Steuer» kolbens 47 und des Steuerzylinders 55 kann im Verhältnis zum Durchmesser des Kolbens 17 verhältnismassig klein sein, wenn auch die tatsächlichen Durchmesser eine Funk« tion der wirklichen Arbeitsbedingungen des Motors, des Kompressionsverhältnisses der Pufferkammer, ihres Ladungsdrucks sowie anderer baulicher Parameter sind.

Wie aus dem vorstehenden hervorgeht, ware der Motor 11, da sich samtliche Teile der Kraftanordnung 43 in der gleichen Richtung bewegen, ohne sonstigen Massnahmen dynamisch unausgeglichen und daher ernsten Vibrations-Problemen unterworfen. Um eine dynamisch ausgeglichene Maschine zu erhalten, umfasst der Motor 11 eine Ausgleichs« und Synchronisieranordnung 62, die in dem Gehäuse 49 montiert ist.

Die Ausgleichs·= und Synchronisieranordnung 62 ist über das doppelte Zahnstangenelement 46 mit der Kraft« anordnung 43 verbunden. Die Anordnung 62 umfasst ein Paar von Ritzeln 63 und 64, die auf einem Paar von Wellen 65 bzw. 66 um feste Achsen drehbar montiert sind. Die Enden der Wellen 65 und 66 sind in einem Paar von festen Seiten» platten 67 und 68 gehalten, die auf entgegengesetzten Sei« ten des doppelten Zahnstangenelements 46 angeordnet sind. Das eine Ende jeder der Platten 67 und 68 ist an der rech« ten Seite der Wand 34 befestigt, wahrend die anderen Enden 69 nach rechts von der Wand 34 auf die Stirnwand 51 des Gehäuses 59 zu wegstehen. Die Platten 67 und 68 sind in gleichem Abstand von dem doppelten Zahnstangenelement

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46 angeordnet, so dass sich das Element 46 zwischen diesen Platten frei hin- und herbewegen kann; die Platten sind im wesentlichen parallel zueinander sowie zu der Mittelachse der Kraftanordnung 43 angeordnet·

Die Wellen 65 und 66 sind in den Platten 67 und 68 etwa in der Mitte zwischen der Wand 34 und den Enden 69 der Platten gehalten und auf den entgegengesetzten Seiten der mittleren Längsachse des doppalten Zahnstangen» alamantas 46 in gleichem Abstand von diesem vertikal an=> geordnet, wobei die mittleren Längsachsen der Wellen 65 und.66 auf der mittleren Längsachse dar Kraftanordnung senkrecht steht_o Der Abstand zwischen den Platten 67 und 68 reicht aus, dass sich dia Ritzel 63 und 64 frei zwi» sehen ihnen drehen können„

Das doppelte Zahnstangenelement 46 umfasst obere und untere Zahnstange 71 bzw. 72, die so angeordnet sind, dass ihre Zähne von dem Element 46 aus im we* sonblichen radial nach aussen ragen. Die Zähne der Zahn« stangen 71 und 72 sind so angeordnet, dass sie stets mit dan Zähnen der Ritzel 63 bzw,. 64 in Eingriff stehen, wodurch aina Hin«= und Herbewegung der Kraft anordnung und damit der Zahnstangen 71 und 72 eine entsprechende-Dreh« bewegung der Ritzel 63 und 6'4 verursacht,

Dia Ausgleichs- und Synchronisitzanordnung umfasst ein Paar von bewegbaren Wandelementen 73 und 71, dio in dar Nähe dor fasten Seitenplatte 67 baw, 68 und parallel au diosan angeordnet sind, wobei dta bewegbaren" Wando lemon te 7,1 und 74 in f/rttsaaroni Abstand von dam dop» polten. Zahns.tangenolturumfc 46 als dLo Platten 67 und oil uind. InfoLc/üdeesan können die bawüijbnran ßia

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mente 73 und 74 frei bezüglich der festen Platten 67 und 68 gleiten. Ein Paar von Zahnstangen 75 und 76 wird von den oberen und unteren Endan dar bewegbaren Wandelemente 73 und 74 getragen und ist swiaohen diesen angeordnet, wie es in Fig_e 2 gezeigt ist« Durch die Zahnstangen 75 und 76 sowie die Enden der bewagbaren Elemente 73 und 74 verlaufen mehrere Stift© oder Nieten, von denen swai bei 77 gezeigt sind und die dazu dienen* die Zahnstangen 75 und 76 an den bewegbaren Elementen 73 und 74 au ba° festigen,, Die Zahnstangen 75 und 76 sind so angeordnet, dass ihre ZHhne auf die Zähne der Zahnstangen 71 bzw. 72 au hervorstehen und die Ritzel 63 bzw. 64 an Punkten berühren^ die den Eingriffspunktan zwischen den Zähnen der Ritzel 63 und 64 und dar Zahnstangen 71 bsw« 72 diametral gegenüberliegen,,

Wie am basten aus Fig. 2 ersichtlich, können sich dia Zahnstangen 75 und 78 und die bawagbaren Wände 73 und 74 bezüglich des Gehäuses 49 und allan darin befestigten E lament en sowie bezüglich irgendwölehar Teile dar Κ radanordnung 43 ebenfalls frei hin- und har-bewegen, Da aussardösa die Zahns tätigen 75 und 76 über die böwagbaran Wandelement© 73 und 74 sur Verhinderung von gogensei" ticjen Bewegungen aneinander befestigt sind, und da die Zahnstangen 71 und 72 Rucken an Rücken an dsm doppelten Zahnatanganelament 46 angeformt sind, warden die senk= raohton- Komponenten dar von usr Kraftübertragung zwischen dan Z-flhnen dcsr Zahnstangen and tier Kit aal übertragenen KrUf b> ausgeglichen,, Dies« Anordnung dor Zahnstangen und Kit »öl boooitigt -einem Hauptgrund dor Raibuiufs-mrluöfca mid mLnitdüllui«r^;: Knargldveriuiitö, dio uuJftjrund dar Roi- ■ bung .in« dar Krliftnilbortrafjun;-;. Äwischtm dar mui jiynchroniylot'anuidnuritjf iii- i)ijiara«ita und onlnmuj 43 <.ind»r-)rijüita rrtsuILiurun. Huf

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lern beruhende Reibungsverluste und dynamische Belastun» gen der Getriebezähne werden weiterhin durch die Tatsache vermindett, dass die Zahnstangen 71 und 72 zwischen und die Zahnstangen 75 und 76 auf den Ritzeln und 63 und 64 "schweben" und selbstausrichtend in dem Sinne sind, dass sie von selbst eine Stellung relativ zßi den Ritzeln 63 und 64 suchen_f in der die durch den Eingriff zwischen den Zähnen der Zahnstangen 71,72,75 und 76 sowie den Kitzeln 63 und 64 verursachten dynamischen Kräfte minimal werden.

Um dynamischen Ausgleich zu erreichen, muss das Produkt o.us der Summe des der Bewegung des Ausgleichs·» teils der Anordnung 62 zugeordneten Gewichtes, d_eh. des Gewichtes der bewegbaren Elemente 73 und 74 und der Stifte 77 plus dem Gewicht der Zahnstangen 7£ und 76 mal dem V/eg, um den sich dieses der Anordnung 62 zugehörige Gegenge= wicht bei einem Motorhub bewegt, gleich dem Produkt aus der Summe des der Bewegung der Kraftanordhung 43 zugeord« neten Gewichts mal dem Hubweg der Anordnung 43 in einer Richtung, die der Bewegungsrichtung des ausgleichenden Teils der Anordnung 62 entgegengerichtet ist, sein_o

Der Motor 11 eignet sich zur Verwendung mit verschiedenen Energieverbrauchern; insofern kann das Gewicht desjenigen Elementes des Energieverbrauchers 14, das an dem Ende der Stange 48 befestigt ist und von die« sem getragen wird, in Abhängigkeit davon schwanken, welche Art von Energieverbraucher von dem Motor getrieben wird. Aus diesem Grund sind die bewegbaren Elemente 73 und 74 so gebaut _β dass sie leicht entfernt und durch bewegbare Wandelemente von unterschiedlichem Gewicht ersetzt werden können und somit das bewegbare Gegengewicht der Ausgleichsund Synchronisieranordnung 62 ohne Einfluss auf den Aufbau oder die Arbeitsweise des Motors leicht verändert werden kann,

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Darüberhinaus machen es der Aufbau und die bauliche Anordnung des Motors möglich, dass die Gesamtlänge des Motors im wesentlichen gleich dem Vierfachen des Hubweges des Kolbens 17 plus der erforderlichen Länge für den Energieverbraucher 14 ist·

Kurz: gesagt arbeitet der Motor 11 folgendermassen« Die Verbrennung findet in der Kammer 26 nahe der oberen Totpunkt lage des Kolbens 17 statt, d.h. wenn der Kolben 17 sich in seine Arbeitsstellung ganz links be» wegt hat und die Verbrennung sowie sonstige in dem Motor 11 und/oder, dem Energieverbraucher 14 zur Ausführung der Rechtsbewegung dar Kraftanordnung 43 zur Verfügung ste~ hende Energie bewirkt, dass sich der Kolbon 17 und die übrige Kxaf tanor.dnung .43 einschliessiich des Verbindungs- ■ teils der Ausgleichs- und Synchronisieranordnung, nämlich des Zahnstangenelements46, nach rechts bewegen. Infolge der Zahnstangen- und Ritaelanordnung 63,64,71,72,75 und 76 bewirkt diese Rechtsbewegung der Anordnung 43 und damit des doppelten Zahnstangenelementes 46 eine translatorische Linksbewegung des aus den Zahnstangen 75 und 76 sowie den Wandelementen 73 und 74 bestehenden bewegbaren Gegengewichtes der Anordnung 62 relativ zu dem Gehäuse 49. Nimmt nun der Druck in dem geschlossenen Ende des Steuerzylinders 55 zu, so hört die Rechtsbewegung der Kraft anordnung 43 auf, und die damit in dem S teuer zylinder 55 gespeicherte "Rückkehrenergie¹' treibt in Verbindung mit sonstigen in dem Motor 11 und/oder dem Verbraucher 14 entwickelten""Rückkehrenergien" die Kraftanordnung 43 nach links«

Während der Rechtsbewegung des Kolbens 17 in dem Zylinder 16 wird zunächst die Auslassöffnung 42 freigelegt, die ein "Ablassen" der Verbrennungsgase gestattet;

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sodann wird die Einlassöffnung 41 durch den Kolben 17 freigelegt, so dass die Kammer 26 ordnungegemäss gespült und eine neue Füllung von Luft oder eines Brennstoff-Luftgemisches in die Kamner 26 eingeführt werden kann. Indem sich der Kolben 17 nach links bewegt, werden wieder zunächst die Öffnung 41 und dann die Öffnung 42 von dem Kolben 17 versperrt. Danach wird die Luft bzw. das Brenn· stoff»Luft-Gemisch in der Kammer 26 verdichtet, bis wieder die Verbrennung in der Kammer 26 stattfindet und der Ar« beitszyklus sich wiederholt·

Während der Rechtsbewegung der Kraftanordnung 43 bewegt sich der Ausgleichsteil der Anordnung 62 nach linkse Bewegt sich umgekehrt die Kraftanordnung 43 nach links, so wird der Ausgleichsteil der Anordnung 62 einschliesslich der Zahnstangen 75 und 76 nach rechts bewegt. Wird ausserdem, wie oben erklärt, das Gewicht der bewegbaren Wandelemente 73 und 74 so gewählt, dass das Produkt aus der Summe der sich mit der Kraftanordnung 43 bewegenden Gewichte und dem Hubweg der Anordnung 43 gleich ist dem Produkt aus der Summe der Gewichte des Ausgleichsteils der Anordnung 62 einschliesslich der Zahnstangen 75 und 76 mal dem Weg, um den eich der Ausgleichsteil der Anordnung 62 in entgegengesetzter Richtung wie der KoI= ben bewegt, so lässt eich ein dynamisch ausgeglichener Betrieb des Motors 11 erreichen. Infolge des Einbaus des Steuerkolbens 47 in den Motor 11 lässt eich dieser ausserdem in einem weiten Bereich von Arbeltsparametern betreiben. Mit anderen Worten kann der thermodynamiache Abgleich des Motors in einem weiten Variationsbereich hinsichtlich der Motorbelastung und/oder des zugeführten Kraftstoffe beibehalten werden. ·

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Der schematisch in Fig. 3 gezeigte Motor 78 hat einen Kraftteil 79 und einen Synchronisatorteil 81, wobei diese Teile in ihrem Aufbau und ihrer Arbeitsweise den Abschnitten 12 bzw» 13 des Motors abgesehen von der Tatsache im wesentlichen identisch sind, dass der Synchro« nisatorteil 81 keinen Steuerkolben und keinen Steuerzy» linder umfasst, der dem in dem Teil 13 des Motors 11 verwendeten Kolben 47 und dem dortigen Zylinder 55 entspräche,

Der hauptsächliche bauliche Unterschied zwischen den Motoren 78 und 11 besteht darin, dass bei dem Motor 78 zwischen der rechten Stirnwand 83 des Kraftteils 79 und der linken Stirnwand 84 des Synchronisatorteils 81 ein Steuerzylinder 82 angeordnet ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Steuerzylinder 82 an das Gehäuse 49 angeformt sein.

In dem Steuerzylinder 82 ist ein Steuerkolben 85 hin* und herbewegbar angeordnet. Die linke Fläche 86 des Steuerkolbens 85 ist mit der Fläche 19 des Kolbens über eine Stange 87 verbunden, die durch eine abgedichtete öffnung in der Wand 83 verläuft. Die rechte Fläche 88 des Steuerkolbens 85 ist mit der linken Seite eines doppelten Zahnstangenelements 46 durch eine Stange 89 verbunden, die durch eine abgedichtete öffnung in der Wand 84 verläuft.

In dem Zylinder 82 ist zwischen der Wand 83 und der Fläche 86 des Kolbens 85 eine erste Kammer 91 und zwischen der Wand 84 und der Fläche 88 des Kolbens 85 eine zweite Kammer 92 definiert. Die Kammern 91 und 92 können als Pufferkammern dienen, oder es kann eine der Kammern als Spülpumpe zur Unterstatzung oder auch anstelle der vom Kolben 17 vermittelten SpUlpumpenwirkung verwendet werden.

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■i Einer der Vorteile des Motors. 78 besteht da° rin, dass er,die,Verwendung eines Steuerkolbens mit grös· serem. Durchmesser gestattet,, was wiederum die Anwendung niedrigerer Drucknivaux in den Kammern 91 und 92 zulasst ο Dadurch dass zwei Pufferfcammern vorgesehen sind, wird ferner die Steuerung der Betriebsweise des Motors relativ flexibel; wodurch sich der thermodynamisch© Ausgleich des Motors über einen weiten Bereich von Konstruktions« und Betriebsparametern erreichen lässt. Die Gestaltung des Motors 78 minimalisiert ausserdem die Gefahr, dass das in dem-Kraft teil 79 verwendete Sehmiermittel das Schmier« mittel in. dem Synchronisatort eil 81 verß«iluau-tai; ader umgekehrt oder sich mit diesem mischt, da der J)ruck in der Kammer 91 und/oder in der Kammer 92 höher als der Druck in dem Kraft-und dem Synchroni satorabsclinitt 79 bzw« 81 gehalten werden kann_o

Der in Fig* 4 schematise?! gezeigte Motor 83 umfasst einen Kraftteil 94 und einen Synchronisatorteil 95,: wobei diese Teile in ihrem Aufbau dem Kraftteil 12 bzw. dem Synchronisatorteil 13 des Motors 11 identisch sind. Dar Motor 93 unterscheidet sich von dem Motor 11 darin, dass bei dem Motor 93 der τοη diesem betriebene Energieverbrauches ein doppelt wirkender Kompressor 96 ist, der in der Nähe der rechten Stirnwand 51 des Syn« chronisatoiteils 95 angeordnet istc

Der Kompressor 96 umfasst einen Kompressor= kolben 97 mit einer Innenflache 103 und einer Aussenfla° ehe 107, wobei der Kolben 97 an dem Ende der Stange 48 befestigt und mit diesem in einem KompraesorzylInder 98 hin- und herbewegbar ist.

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Die Kammer 102 weist herkömmliche Kompressor-Einlass« und Auslassventile auf, von denen zwei schematisch bei 99 und 101 gezeigt sind; ahnlich weist die Kammer herkömmliche Kompressor-Einlass- und Auslaseventile auf, von denen wiederum zwei schematisch bei 104 und 105 gezeigt sind.

In der Stirnwand 51 ist eine Durchführung ausgebildet, die eine Verbindung zwischen dem geschlossenen Ende des SteuerZylinders 55 und der Atmosphäre herstellte In der Durchführung 109 ist ein Einwegventi1 111 derart angeordnet, dass es Luft oder Gas nur in das geschlossene Ende des Zylinders 55 einströmen lässt. Die Durchführung 109 dient bei dem Motor 93 zur Sicherstellung, dass stets eine ausreichende Luft- oder Gasmenge in dem geschlossenen Ende des Zylinders 55 vorhanden ist, so dass der Steuerkolben 47 seine beabsichtigte Funktion erfüllen kann. Wenn gewünscht, kann die Durchführung 109 an eine unter Druck stehende Luft- oder Gasquelle angeschlossen

Bei dem Motor 93 unterstützt der Totraum der Kammer 106 das Aufbringen von Rttckführungsenergie für kontinuierlichen Motorbetrieb, während der Tot raum in der Kammer 102 die Rechtsbewegung der Kraftanordnung 43 einschliesslich des Kompressorkolbens 97 unterstützt. Im übrigen ist die Wirkungsweise des Motors 93 der des Motors 11 identisch«

Der in Fig. 5 schematisch gezeigte Motor 112 ist in seinem Aufbau dem Motor 93 insofern im wesentlichen identisch, als die Kraft- und Synchronisierteile 113 und 114 mit den Teilen 94 und 95 baulich identisch sind und der Energieverbraucher ein Kompressor 115 ist. Der Kompressor 115 unterscheidet sich jedoch von dem Kompressor 96 da-

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rin, dass der Kompressor 115 ein einfach wirkender ausw&rts verdichtender Kompressor ist. Eine zwischen der Stirnwand 51 des Teils 114 und der Innenwand 103 des Kolbens 97 gebildete Kammer 116 dient als negative Pufferkammer»

In Durchführungen in der Stirnwand 51 sind Einweg-Ventile 117 und 118 angeordnet, die den Eintritt von Druckluft oder Druckgas von der Kammer 116 in den Synchronisierteil 114 bzw. den geschlossenen Teil des Zylinders 55 gestatten, wenn der Druck der Luft bzw. des Gases in der Kammer 116 infolge der Bewegung des Kolbens 97 nach links einen bestimmten Wert überschreitet. Falls für Steuerzwecke gewünscht, könnte bei einer anderen Aus= führungsform anstelle der Ventile 117 und/oder 118 bei dem Motor 112 auch eine aus Durchführung und Ventil bestehende Anordnung, etwa die Durchführung 109 und das Ventil 111, bei dem Motor 93 verwendet werden. Im übrigen 1st die Arbeitsweise des Motors 112 der dee Motors 93 im wesentlichen identlaoh»

Der In Fig. 6 schematisch dargestellte Motor 119 ist in Aufbau und Arbeitsweise dam Motor 112 im wesentlichen identisch, wobei der einzige erhebliche bauliche Unterschied darin besteht, dass der Steuerkolben 121 und der Steuerzylinder 122 des Motors 119 nicht innerhalb des Synchronisierteils 123 des Motors 119 sondern rechts von der Stirnwand 108 des auswärts verdichtenden Kompressors 124 angeordnet sind.

Der Steuerzylinder 122 weist eine ringförmige Seitenwand 125 und eine geschlossene Stirnwand 126 auf. Durch eine abgedichtete Öffnung 128 in der Wand 108 ragt eine Stange 127 hindurch, die den Steuerkolban 121 mit dem Komprensorkolban 97 verbindet, ao dase sich dar KoI-bon 121 mit: dorn Kolben 97 bewegt und Tail dor Kraftanord-

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nung 43 bildet. Der Stauerkolben 121 und der Steueraylinder 122 sind so angeordnet, dass die mittleren Längsachsen des Kolbens 121, des Zylinders 122 und des Restes der Kraftanordnung 43 koaxial sindo

Zwischen der Äussenfläche 131 des Kolbens 121 und der Stirnwand 126 ist in dem Zylinder 122 eine positive Pufferkammer 129 definiert. Eine negative Pufferkaminer 132 ist in dem Zylinder 122 sswischen der Innenfläche 133 des Kolbens 121 und der Wand 108 begrenzt.

In der Seitanwand 125 des Zylinders 122 ist ein Einwegventil 134 angeordnet, das ein Entweichen dar Luft bzw₀ des Gases von der Kammer 132 an die Atmosphäre gestattet, wenn die Luft bzw, das Sas einen bestimmten Druck erreicht hat. Xn der Stirnwand 126 des Zylinders 122 ist ein Einwegventil 135 angeordnet, das ein Einsaugen von Luft oder Gas in die Kammer 129 entweder von dar Atmosphäre oder von einer (nicht gezeigten) Druckluft» bzw. Druckgasquelle gestattet» Wenn gewünscht, kann anstelle dar Ventile 134 und/oder 135 aine Längsnut in der Innenfläche der Seitenwand 125 verwendet werden,, Eine solche Nut würde auf einem Abschnitt des Hubweges des Kolbens 121 um die Mantelfläche des Kolbens herum eine Verbindung zwischen dan Kammern 129 und 132 vermitteln.

Dar in FIg₀ 7 schematisch gezeigte Motor 136 ist in Aufbau und Arbeitsweise den Motoren 93, 112 und 119 abgesehen davon generell ähnlich, dass dar Motor 138 nicht mit getrennten Steuerkolben und Steuerzylinder arbeitet und dass der Energiaverbraucher ein einwärts verdichtender Kompressor 137 ist*

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Der Kompressor 137 weist eine positive Pufferkammer 141 auf, die zwischen der Auesenflache 142 des Kolbens 143 und der Stirnwand 108 gebildet ist. Der Kolben 143 wirkt teilweise sowohl als Kompressorkolben wie auch als eigener Steuerkolben, um die notwendige Rückführungs» energie für die Kraftanordnung aufzubringen und ein Steu« erorgan für den Motorbetrieb zu vermitteln.

Einer der Vorteile des Motors 136 liegt in der grossen Einfachheit seines Aufbaus. Motoren dieses Typs sind für Anwendungsfälle mit konstanter Last besonders geeignet»

Der in Fig. 8 schematisch gezeigte Motor 144 ist in seinem Aufbau dem Motor 136 insofern generell ahn» lieh, als er ohne eine getrennte Steuerkolben« und Steuerzylinderanordnung auskommt. Im Gegensatz zu dem einwärts verdichtenden Kompressor 137 des Motors 136 weist jedoch der Motor 141 einen auswärts verdichtenden Kompressor 145 auf.

Der Kraftteil 146 und der Sytichroni si ert eil 147 des Motors 144 sind hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise den Teilen 1S8 bzw. 139 des Motors 136 identisch.

Der Kompressor 145 umfasst eine negaitve Puffer« kammer 148, die zwischen der Stirnwand 51 des Synchroni" sierteils 147 und der Innenfläche 149 des Kolbens 151 ausgebildet istο Ebenso wie der Kolben 143 bei Fig. 7 erfüllt der Kolben 151 die Funktionen sowohl des Kompressorkol= bens als auch des Steuerkolbens. In dem Zylinder 92 ist ein Einwegventil 152 angeordnet, das ein Einsaugen von Luft oder Gas in die Kammer 148 gestattet« Wenn gewünscht, kann das Ventil 152 umgekehrt werden, um die Luft bzw. das Gas aus der Kammer 148 zu entlassen.

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Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der gleiche Grundmotor ohne oder mit nur geringer Abwandlung als Antriebsaggregat zum Betrieb einer Vielzahl von Energieverbrauchern dienen kann und dass dies dadurch ermöglicht wird, dass die Ausgleichs« und Synchronisieranordnung zwischen dem Kraft kolben und dem Kompressorkolben bzw. dem sonstigen Energieverbraucher angeordnet wird. Beispielsweise bildet ein einfaches Er« höhen oder Vermindern der Masse der Wände 73 und 74 die einzige Änderung zur Kompensation von Gewichtsveränderungen bei Anwendung des gleichen Motors zum Betrieb von Energieverbrauchern mit unterschiedlichem Gewicht.

,Der hierin verwendete Ausdruck "Hauptkolben" umfasst nur solche Kolben (Kraftkolben,Spülkompressorkolben oder Pufferkompressorkolben), die die wesentlichen oder Hauptbetriebsfunktionen der erfindungsgemässen Freikolbenmotoren ausführen. Bei den Motoren 11,93 und 112 der Fig. 1, 4 bzw. 5 sind deshalb die Hauptkolben die Kolben 17 und 47; bei dem Motor 78 nach Fig. 3 sind die Hauptkolben die Kolben 17 und 85; bei dem Motor 119 nach Fig. 6 bilden die Kolben 17 und 121 die Hauptkolben; und bei den Motoren 136 und 144 nach Fig. 7 bzw. 8 ist der Kolben 17 der einzige Hauptkolben. Die Hauptkolben umfassen somit nicht Hilfskolben vie etwa ölpumpenkolben, Wasserpumpenkolben und Kraftstoff-Pumpenkolben, die ebenfalls bei oder in Motoren nach der Erfindung verwendet werden können und die sich beim Betrieb der Motoren entweder mit oder in entgegengesetzter Richtung zu den Hauptkolben bewegen mögen. Beispielsweise könnte ein Ölpumpen-Hilfskolben an den Wänden 73 und 74 der Synchronisier- und Ausgleichsanordnung 62 befestigt sein und sich mit diesen in entgegengesetzter Sichtung wie die Hauptkolben bewegen; oder es könnte der gleiche Kolben an der Kraftanordnung 43 ange-

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bracht sein und sich mit dieser in gleicher Richtung wie die Hauptkolben bewegen_D Das Gewicht jedes Hilfekolbens muss nach Lage des Falles als Teil des Gewichts der Aus» gleiche» und Synchronisieranordnung oder der Kraftanord·= nung betrachtet werden, damit der Motor ausgeglichen wird.

Ferner umfasst der hierin benutzte Ausdruck "Kraftanordnung'* die Hauptkolben, das bewegliche Element des Energieverbrauchers sowie die Stange oder sonstige Vorrichtung, die die Hauptkolben miteinander sowie mit dem bewegbaren Element des Energieverbrauchers verbindet. Dia Hauptkolben und das bewegbare Element des Energieverbrau» ehers bilden also Teile der Kraftanordnung und bewegen sich stets als Einheit innerhalb des Motors miteinander.

Zu beachten ist ferner, dass anstelle der gezeigten bevorzugten AusfUhrungsform der Ausgleichs-» und Synchronisiaranordnung 62 auch andersartige Getriebe, Verbindungsmittel oder sonstige Mechanismen verwendet werden könnten. Bei entsprechendem Ersetzen bestimmter Teile könnten ausserdem der Hubweg und das Gewicht des Ausgleichs« teiles der Anordnung 62 von dem Hubweg und dem Gewicht der Kraftanordnung 43 verschieden sein. Darüberhlnaus könnte dia Kraftanordnung 43 zwei oder mehrere doppelte Zahnstan» genelementö umfassen, die mit einer entsprechenden Anaahl zusätzlicher Paare von Ritaeigetrieben in Eingriff stehen, wodurch es möglich würde, zusätzliche Ausglaiehsanordnungen an der Grundform des Motors vorzusehen.. Weiterhin könnte bei dem Motor auch mehr als ein Kraftkolban 17 hzM, Kraft.» teil 12 oder auch ein doppelt wirkender Kraftkolben 17 varwendet werden,

Ansprüche

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Claims (2)

1. Ansprüche

   I« J Freikolbenmotor nach Patentanmeldung P 15 78 041,5, gekennzeichnet durch mindestens einen mit dem Kraftkolben (17) verbundenen und sich mit diesem ba~ wegenden Kompressorkolben oder ein entsprechend verbünde» nss bewegbares Element eines sonstigen Energieverbrauchers (14,97,143,151), wobei der Kraftkolben ferner mit einer an sich bekannten Synchronisier«=· und Ausgleichsanordnung (62) verbunden ist, die in dem Motor zwischen dem Kraft» kolben und dem Kompressorkolben bzw» dem sonstigen Energieverbraucher angeordnet ist.
2. 2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, gakenrizeich η β t durch einen in einem Pufferzylinder (55,82,122,98) angeordneten Pufferkolben (47,85,121,143,151) zum Aufbringen der Rückführungsenergie für den Kraftkolben (17).

   3, Fraikolbanmotor nach Anspruch 2, dadurch g-e k β η η zeichnet, dass der Pufferkolben (47,85,121,143,151) auch als Koiapressorkolban wirkt.

   4ο Fraikolbanmotor «ach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferkaiumer (102,106) dan Toträum sinas Kompressors (96,115,137,145) bildet»

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