DE19738375C2 - Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator - Google Patents
Two-stroke free-piston motor-operated linear current generatorInfo
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Description
Bekannt ist das Verfahren für die Stromerzeugung aus einer linearen, hin- und hergehenden Bewegung, hervorgerufen durch ein Kolbensystem, bei dem zwei starr miteinander verbundene Kolben zwischen zwei sich gegenüberliegenden Brennräumen hin -und herschwingen, vgl. bspw. DE 39 13 806 A, EP 0 120 986 A1, DE 44 26 552 A1.The method for generating electricity from a linear, reciprocating is known Movement caused by a piston system in which two rigidly connected Swing the piston back and forth between two opposing combustion chambers, cf. e.g. DE 39 13 806 A, EP 0 120 986 A1, DE 44 26 552 A1.
Das Problem bei den bekannten Freikolbensystemen sind die zu geringen Schwingungs frequenzen, was vor allem an der schlechten Zylinderbefüllung und Zylinderspülung liegt. Ausserdem arbeiten die bekannten Zweitaktfreikolbenmotoren mit einer Verlustschmierung, obwohl gerade dieser Punkt in Anbetracht der Emissionen das größte Problem der gesamten Zweitakttechnologie darstellt.The problem with the known free piston systems is that the vibrations are too low frequencies, which is mainly due to poor cylinder filling and cylinder flushing. In addition, the well-known two-stroke free-piston engines work with loss lubrication, even though this point is the biggest problem of all in terms of emissions Represents two-stroke technology.
Diese beiden Probleme werden durch die in Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Die Zylinderbefüllung wird dadurch verbessert, indem die Verbrennungsluft bereits vorverdichtet und somit beschleunigt und unter Druck in die Brennkammern strömt und somit auch die Zylinderspülung unterstützt.These two problems are solved by the features mentioned in claim 1. The cylinder filling is improved by the fact that the combustion air already pre-compressed and thus accelerated and flows under pressure into the combustion chambers and thus cylinder flushing is also supported.
Erreicht wird dies mit der Verwendung von zwei Stufenkolben, deren der Brennkammern abgewandten Seiten einen größeren Durchmesser und somit eine größere Querschnittsfläche besitzen als die Querschnittsfläche der Brennkammern zugewandten Seiten.This is achieved with the use of two stepped pistons, the combustion chambers facing sides a larger diameter and thus a larger cross-sectional area have sides facing the cross-sectional area of the combustion chambers.
Dadurch wird beim Hub des Stufenkolbens den Brennkammern mehr Verbrennungsluft zugeführt wird als ihr Volumen beträgt.As a result, the combustion chambers have more combustion air during the stroke of the stepped piston is supplied as their volume is.
Die Schmierung der Stufenkolben erfolgt nicht wie bei anderen Zweitaktfreikolbenmotoren über die Verbrennungsluft, sondern über das Restvolumen (22) der jeweiligen Stufenkolben. Das Restvolumen (22) ergibt sich hinter dem größer dimensionierten Teil des Stufenkolbens. Dadurch kommt das Schmiermittel nicht mit der Verbrennungsluft in Berührung.The step pistons are not lubricated via the combustion air as with other two-stroke free piston engines, but via the remaining volume ( 22 ) of the respective step pistons. The remaining volume ( 22 ) results behind the larger dimensioned part of the stepped piston. As a result, the lubricant does not come into contact with the combustion air.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine bessere Zylinderspülung und -befüllung erreicht wird und ein Verlustschmierung vermieden wird.The advantages achieved with the invention are in particular that a better one Cylinder rinsing and filling is achieved and loss lubrication is avoided.
Der Vorgang der Zylinderbefüllung und -spülung im Einzelnen:The process of cylinder filling and flushing in detail:
Die Verbrennungsluft (8) wird von den Stufenkolben (1) in die Vorverdichtungskammern (12) angesaugt, während sie sich in Richtung Brennkammern (13) bewegen. Die Strömungsrichtung ergibt sich durch jeweils einem einlaßseitigem (4) und einem auslaßseitigem (5) Ventil an den Vorverdichtungskammern.The combustion air ( 8 ) is sucked into the precompression chambers ( 12 ) by the step pistons ( 1 ) while they are moving in the direction of the combustion chambers ( 13 ). The direction of flow results from an inlet-side ( 4 ) and an outlet-side ( 5 ) valve on the pre-compression chambers.
Die Verbrennungsluft wird in die jeweils einen oder mehreren Überströmkanäle (16) pro Zylinderseite geleitet, die durch ihr bestimmtes Volumen zugleich einen Druckspeicher darstellen (Patentanspruch). Die verdichtete Luft kann erst in die Brennkammern (13) strömen, wenn der Einlaßschlitz (17) von dem sich in Richtung Vorverdichtungskammer bewegenden Stufenkolben (1) freigegeben wird.The combustion air is directed into the one or more overflow channels ( 16 ) on each cylinder side, which through their specific volume also represent a pressure accumulator (claim). The compressed air can only flow into the combustion chambers ( 13 ) when the inlet slot ( 17 ) is released by the step piston ( 1 ) moving in the direction of the precompression chamber.
In diesem Augenblick treten die Abgase (10) über die Auslaßöffnung (18) aus dem Brennraum (13) aus und die Frischgase ein (Zweitaktverfahren).At this moment, the exhaust gases ( 10 ) exit the combustion chamber ( 13 ) via the outlet opening ( 18 ) and the fresh gases enter (two-stroke process).
Durch den erhöhten Druck und der Mehrmenge an Frischluft wird eine sehr gute Spülung erreicht.Due to the increased pressure and the additional amount of fresh air, the rinsing is very good reached.
Nachdem der Stufenkolben durch die Bewegung in die Gegenrichtung die Ein- und Auslaß öffnungen verschlossen hat, werden beim Verdichtungsvorgang der Verbrennungsluft im Brennraum der Kraftstoff über ein elektromagnetisches Ventil (6) direkt eingespritzt (Patentanspruch 3).After the stepped piston has closed the inlet and outlet openings by moving in the opposite direction, the fuel is injected directly via an electromagnetic valve ( 6 ) during the compression process of the combustion air in the combustion chamber (claim 3).
Die Verdichtungsleistung wird dabei von dem gegenüberliegenden Stufenkolben über die Kolbenverbindungsstange erbracht.The compression performance is from the opposite step piston over the Piston connecting rod provided.
Nachdem das Luft-Kraftstoffgemisch beim Benzinbetrieb durch die Zündkerze (7) oder beim Dieselbetrieb durch Selbstentzündung aufgrund der hohen Verdichtung gezündet hat expandiert das Verbrennungsgas und drückt den Stufenkolben wieder in Richtung Vorverdichtungskammer, wo wiederum die Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Außerdem treibt er den gegenüberliegenden Stufenkolben an, der Vorgang beginnt erneut.After the air-fuel mixture has ignited due to the high compression during gasoline operation through the spark plug ( 7 ) or during diesel operation due to self-ignition, the combustion gas expands and pushes the stepped piston back towards the pre-compression chamber, where the combustion air is again pre-compressed. He also drives the opposite piston, the process begins again.
Der Vorgang der Stufenkolbenschmierung im Einzelnen:The process of step piston lubrication in detail:
Das Schmiermittel wird in den verbleibenden Räumen (22) zwischen den Brennkammern (13) und Vorverdichtungszylindern (12) oder in die Verbindungskanäle (15) zwischen demselbigem Raum auf der gegenüberliegenden Stufenkolben-Zylinderkombination eingebracht.The lubricant is introduced in the remaining spaces ( 22 ) between the combustion chambers ( 13 ) and precompression cylinders ( 12 ) or in the connecting channels ( 15 ) between the same space on the opposite step piston-cylinder combination.
Die Verbindungskanäle dienen den Luftaustausch zwischen den beiden Räumen (22), damit unnötige Verdichtungsarbeit vermieden wird.The connecting channels serve to exchange air between the two rooms ( 22 ) so that unnecessary compression work is avoided.
Ein unterseitiger Verbindungskanal (9) wird dazu benutzt, uln das abfließende Schmiermittel zu einem Pumpensumpf (14) zu führen.A connection channel ( 9 ) on the underside is used to guide the outflowing lubricant to a pump sump ( 14 ).
Die Ermittlung der Kolbenposition im Einzelnen:Determining the piston position in detail:
Für die exakte Steuerung des Zündzeitpunktes (nur bei Benzinbetrieb) und des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes sowie für den Startvorgang ist die Ermittlung der genauen Lage des Kolbensystems zu jedem Zeitpunkt notwendig.For the exact control of the ignition timing (only with petrol operation) and the The exact position is determined when the fuel is injected and for the starting process of the piston system is necessary at all times.
Dafür ist eine elektrooptische Messungsanordnung Patentanspruch 4 angebracht, die zur Distanzmessung moduliertes Licht verwendet.For this purpose, an electro-optical measurement arrangement is attached to Distance measurement uses modulated light.
Der Meßstrahl (21) wird aus einem Sender über ein Spiegelsystem (20) zur Kolben verbindungsstange bzw. zum dem mit ihr fest verbundenen Anker (2), der die Spule (3) durchkreuzt geleitet. Über die Phasendifferenz des Referenzsignals und des Signal des in den Empfängers zurückgeführten Lichtstrahls kann die genaue Kolbenposition errechnet werden. Die gewonnen Daten der Messung werden an ein Steuergerät weitergegeben.The measuring beam ( 21 ) is from a transmitter via a mirror system ( 20 ) to the piston connecting rod or to the armature ( 2 ) which is firmly connected to it and which crosses the coil ( 3 ). The exact piston position can be calculated via the phase difference of the reference signal and the signal of the light beam returned to the receiver. The measurement data obtained are passed on to a control unit.
Das Steuergerät bestimmt den Zündzeitpunkt, den Einspritzzeitpunkt und -Menge, die Spannung der Erregerspulen sowie das Umschalten von Motorbetrieb (für den Startvorgang) zum Generatorbetrieb und umgekehrt.The control unit determines the ignition timing, the injection timing and quantity, the Voltage of the excitation coils and switching over from motor operation (for the starting process) for generator operation and vice versa.
Bei dem nach o. g. Patentansprüchen konstruierten zweitaktfreikolbenmotorbetriebenen Linearstromgenerator ergeben sich folgende Vorteile gegenüber bestehenden Otto- und Dieselmotorbetriebenen Stromgeneratoren herkömmlicher Bauart ergeben:In the case of the above Claims constructed two-stroke free piston engine operated Linear current generators have the following advantages over existing gasoline and Diesel engine-operated power generators of conventional design result in:
- - sehr guter Spüleffekt der Brennkammern durch die Zuführung von vorverdichteter Verbrennungsluft - Very good purging effect of the combustion chambers by adding pre-compressed combustion air
- - durch die Kraftstoffdirekteinspritzung und der schmiermittelfreien Verbrennungsluft ergeben sich in Verbindung mit einem Dreiwegekatalysator beim Benzinbetrieb oder mit einem Oxidationskatalysator beim Dieselbetrieb sehr gute Abgaswerte- through direct fuel injection and lubricant-free combustion air result in connection with a three-way catalytic converter in gasoline operation or with an oxidation catalytic converter in diesel operation very good exhaust gas values
- - keine Umwandlung von linearen Bewegungen in Drehbewegungen, dadurch hoher Wirkungsgrad- therefore no conversion of linear movements into rotary movements High efficiency
- - Zweitaktverfahren ohne Spülverluste, dadurch geringerer Verbrauch- Two-stroke process without flushing losses, thereby lower consumption
- - keine viertaktüblichen Ein- und Auslaßventile, kein Ventiltrieb notwendig, dadurch weniger Reibungsverluste- no four-stroke intake and exhaust valves, no valve train necessary, therefore less friction losses
- - keine Kurbelwelle und deren Kugel- oder Walzenlager- No crankshaft and their ball or roller bearings
- - keine Dichtungen der Antriebswellen notwendig- No drive shaft seals required
- - sehr wenige bewegliche Teile- very few moving parts
- - Motor- und Generatorteil sind in einem gemeinsamen, leicht zu fertigendem Gehäuse vereint- Motor and generator parts are in one, easy to manufacture Housing united
- - dadurch geringes Gewicht, kleine Abmessungen und sehr günstige Produktionskosten- thereby low weight, small dimensions and very low production costs
- - hoher Wirkungsgrad.- High efficiency.
Durch die o. g. Vorteile ergibt sich ein leichtes, kompaktes, günstig herzustellendes und energiesparendes Stromerzeugungssystem, das für verschiedene Einsatzgebiete hervorragend geeignet ist.Through the above The advantages are a light, compact, inexpensive to manufacture and Energy-saving power generation system, which is excellent for different areas of application suitable is.
Diese sind z. B. der Einsatz in Hybridfahrzeugen, wo das System den Akkumulator versorgt. Diesem genügt eine geringere Kapazität und somit ein geringeres Gewicht und kleinere Dimensionen, weil er nach der Entladung vom System während der Fahrt nachgeladen wird. Der Akku muß dadurch nur als Pufferspeicher und zur Bewältigung von Kurzstrecken oder Stadtverkehrsabschnitten ausgelegt werden.These are e.g. B. use in hybrid vehicles, where the system supplies the battery. This is sufficient for a smaller capacity and thus a lower weight and smaller Dimensions because the system reloads it while it is being unloaded. The battery only needs to be used as a buffer storage and for short distances or Urban traffic sections are designed.
Einsatz in Blockheizkraftwerken, vor allem durch die o. g. Vorteile auch in kleineren Anlagen wie z. B. in Einfamilienhäusern.Use in combined heat and power plants, especially by the above. Advantages even in smaller plants such as B. in single-family houses.
Einsatz als mobile Stromerzeuger wie Baustellen-Stromaggregate usw., und stationäre Stromerzeuger wie Notstromerzeuger usw.Use as mobile power generators such as construction site generators etc., and stationary Generators such as emergency generators, etc.
Claims (4)
- 1. zwei gegenüberliegenden, starr miteinander verbundenen Kolben, deren Kolbenoberseite der Brennkammer (13) zugewandt ist;
- 2. das Zweitaktverfahren ist als Diesel- oder als Ottoverfahren realisiert;
- 3. die lineare Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt;
- 4. die Kolben sind als Stufenkolben (1) ausgebildet, wobei die Querschnittsfläche der Kolbenunterseite größer ist als die Querschnittsfläche der Kolbenoberseite;
- 5. das Hubvolumen an der Kolbenunterseite ist damit größer als das Hubvolumen an der Kolbenoberseite, wodurch sich ein effektiverer Spülvorgang ergibt;
- 6. durch die Stufenkolben bildet sich ein Restvolumen (22) zwischen der Brennkammer (13) und Vorverdichtungskammer (12);
- 7. in diesem Restvolumen erfolgt die Schmierung des Stufenkolbens, wobei dabei das Schmiermittel nicht mit der Verbrennungsluft in Berührung kommt;
- 8. beide Restvolumen (22) sind zum Druckausgleich miteinander verbunden.
- 1. two opposite, rigidly connected pistons, the upper side of which faces the combustion chamber ( 13 );
- 2. The two-stroke process is implemented as a diesel or as an Otto process;
- 3. the linear kinetic energy is converted into electrical energy;
- 4. the pistons are designed as stepped pistons ( 1 ), the cross-sectional area of the piston underside being larger than the cross-sectional area of the piston top;
- 5. The stroke volume on the underside of the piston is thus greater than the stroke volume on the top of the piston, which results in a more effective flushing process;
- 6. a residual volume ( 22 ) is formed between the combustion chamber ( 13 ) and precompression chamber ( 12 ) through the stepped piston;
- 7. The lubrication of the stepped piston takes place in this residual volume, whereby the lubricant does not come into contact with the combustion air;
- 8. Both remaining volumes ( 22 ) are connected to each other for pressure equalization.
- 1. die im Vorverdichtungskammer (12) vorverdichtete Verbrennungsluft durch Überströmkanäle (16), die durch entsprechende Dimensionierung zugleich als Druckspeicher dienen, zu den Brennkammern (13) gelangt.
- 1. the combustion air pre-compressed in the pre-compression chamber ( 12 ) reaches the combustion chambers ( 13 ) through overflow channels ( 16 ), which also serve as pressure accumulators by appropriate dimensioning.
- 1. die Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer (13) jeweils über ein elektromagnetisches Direkteinspritzungsventil (6) erfolgt.
- 1. the fuel is fed into the combustion chamber ( 13 ) via an electromagnetic direct injection valve ( 6 ).
- 1. die jeweiligen Kolbenpositionen durch eine elektrooptische Messungs anordnung ermittelt werden, bei der die Phasendifferenz modulierten Lichtes gemessen wird.
- 1. The respective piston positions are determined by an electro-optical measurement arrangement in which the phase difference of modulated light is measured.
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| DE1997138375 DE19738375C2 (en) | 1997-09-03 | 1997-09-03 | Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator |
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