DE19815385C2

DE19815385C2 - Freikolbenmotor mit hydraulischer Verbindung der Kolben und Hauptantriebswelle

Info

Publication number: DE19815385C2
Application number: DE1998115385
Authority: DE
Inventors: Kazimir Grbavac
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-12
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: HRP970251B1; HRP970251A2; DE19815385A1

Description

Mit der Erfindung trachtet man mehrere ähnliche Probleme gleichzeitig zu lösen. In der ersten Reie, das ist der Bau einer sehr elastischen Betriebsmachine mit einem Minimum von beweglichen Teilen, wo das Problem der Übertragung der mechanischen Energie von dem Kolbenpaar an die Hauptantriebswelle auf eine hydraulische Weise realisiert wird. Der Grund dafür ist die Erscheinung von enormen Kräften auf den beweglichen Teilen, vor allem die Kurbelwelle, ihre Lager und selbst die Pleuelstange bei den Motoren, die einen großen Rauminhalt und ein hohes Verdichtungsverhältnis besitzen. Unter der Elastizität wird die Variationsmöglichkeit der Arbeitsparameter inbegriffen, ohne Rücksicht zu nehmen von was für einen Verbrennungsmotor es sich handelt, unter der Bedingung, dass der Motor auf der Boxerweise konzipiert ist.

Die bisjetzigen Realisierungen des gesetzten technischen Problems wurden auf verschiedene Weisen gelöst. Zum Beispiel die hydraulische Übertragung der Kolbenenergie an die Hauptantriebswelle ist in der Patentschrift JP 59043926 A beschrieben, wo die V-gestellten Zylinder den Fluid abwechselnd drücken und den spezifischen hydraulischen Motor auf das Kreisbewegen treiben. Wenn man die vorgeschlagene Konstruktion in Betracht nimmt, dann ist die Wirkung von so einer Ausführung fraglich. Auser dieser angewendeten, ist das Problem der direkten Umwandlung des linearen Kolbenbewegens in das Kreisbewegen auf verschiedene Weisen gelöst, meistens mechanisch, US 4,363,299 A oder, zum Beispiel, magnetisch wie in der Druckschrift EP 593545 A1. Ein gattungsgemäßer Freikolbenmotor ist in der GB 2 214 569 P beschrieben.

Die vorgeschlagene Erfindung trachtet, durch die Benützung der Vorteile des Freikolbenmotors, die Funktion der Pumpe und des Motors auf so eine Weise zu vereinigen, daß entweder die Kolben eine Doppelrolle haben, oder daß die Pumpe selbst als ein Gesamtteil des Motors eingebaut wird.

Die Neuigkeit der Erfindung äußert sich in der Tatsache, daß der Vorteil der hydraulischen Verbindung des Verbrennungsmotors der Freikolbenart mit der Hauptantriebswelle, die entweder ausgenommen oder als ein Teil des Motors selbst sein kann, auf eine neue Weise ausgenützt ist, und so die Grundnachteile bei der Ausführung von Motoren mit großem Rauminhalt und mit hohem Verdichtungsverhältnis beseitigt sind.

Auf den Bildern 1 und 2 sind die zwei Ausführung der Erfindung gezeigt. Bild 1 zeigt die Ausführung, die die Arbeitsparameter des Motors dauernd aufgestellt hat und wo die Kolben selbst die hydraulische Pumpe bilden, und Bild 2 zeigt die Ausführung, wo es möglich ist, die Arbeitsparameter des Freikolbenverbrennungsmotors zu ändern.

Auf den Bildern 1 und 2 bezeichnen die gleichen Positionen die gleichen Grundkonstruktionsteile. Die Teile, die die bekannten Motorteile bilden, wie zum Beispiel die Lager, die Dichtungen, die Ventile und/oder die Kanäle, sind nur grob oder überhaupt nicht angedeutet, so daß die Darstellung klarer sein soll. Der Gegenstand der Erfindung ist eigentlich nicht die Funktion des Motors selbst, sondern die Übertragung der mechanischen Energie des linearen Kolbenbewegens an den ausgesetzen hydraulischen Motor, der die Verwandlung des hydraulischen Druckes in das Rotationsbewegen der Hauptantriebswelle durchführt. Die Positionen auf den Bildern 1 und 2 sind:
1 Das Motorgehäuse
2 Die Zylinder des Freikolbenmotors
3 Der rechte Kolben des Freikolbenmotors
4 Der linke Kolben des Freikolbenmotors
5 Die feste Diaphragme
6 Eine oder mehrere Kolbenverbindungsachsen
7 Die Zylinderköpfe
8 Der linke Rückschlageinlaßventil
9 Der rechte Rückschlageinlaßventil
10 Der linke Rückschlagauslaßventil
11 Der rechte Rückschlagauslaßventil
12 Der hydraulische Motor
13 Der Zulauf des gedruckten Fluids
14 Der Auslauf
15 Der Raum unterhalb des linken Kolbens
16 Der Raum unterhalb des rechten Kolbens
17 Der Verbrennungsraum des linken Kolbens
18 Der Verbrennungsraum des rechten Kolbens
19 Der maximale Zylinderablauf
20 Der Ablaufsraum
21 Die linke Seite der hydraulischen Kolbenpumpe
22 Die rechte Seite der hydraulischen Kolbenpumpe
23 Der Kolben der hydraulischen Pumpe
24 Der Grundträger
25 Die Achse für das Zylinderbewegen
26 Der Zylinderträger
27 Die Schraube für die Anpassung des Arbeitspunktes

Das erste Ausführungbeispiel

Auf dem Bild 1 ist eine von den möglichen Ausführungweisen gegeben. Nehmen wir einen beliebigen Typen des Freikolbenmotors, der im Gehäuse (1), welches mindestens zwei Zylinder (2) trägt, liegt, wo der linke Zylinder den Kolben (4) und der rechte den Kolben (3) hat, wo die Kolben verhältnismäßig fest mit einer Achse (6) oder mit mehreren gebunden sind, die durch die feste Diaphragme (5) auf so eine Weise durchgehen, daß die Kammern unterhalb der Kolben (15) und (16) so gut gedichtet sind, daß der Fluid durch die Diaphragme von einer Kammer in die ander nicht durchdringen kann.

Der Zylinderkopf (7) ist in der Skizze nur angedeutet und enthält alle notwendige Teile, so daß der entsprechende Motorentyp funktionieren könnte. In erster Linie handelt es sich um die Ventilgefügen und/oder um die Gefügen für die elektrische oder nicht elektrische Zündung, um die Spritzen für den Einspritz von der Verbrennungsmischung und von den zusätzlichen Fluiden, im Falle wenn das notwendig ist. Das Gefüge (7), daß selbst kompliziert und synchronisiert ist, ist nicht der Gegenstand der Erfindung und wird nicht hier betrachtet.

Die Räume (15) und (16) mit vier Rückschlagventile (8), (9), (10) und (11) und mit den, durch Achsen (6), verbundenen Kolben (3) und (4) bilden die hydraulische Pumpe. Duch die Bewegung hier und her des Kolbenkomplexes, was das Arbeitsresultat des Freikolbenmotors ist, wird die am Bild 1 angegebene gezwungene Zirkulation des Fluides durchgeführt. Wenn sich der Kolben (3) rechts bewegt, saugt er das Fluid in den Raum (16) durch den Ventil (9) aus dem Zulauf (14) und nicht aus dem Auslauf (13), was mit dem Rückschlagventil (11) verhindert wird. Gleichzeitig wird das Fluid aus dem Bereich (15) durch den Ventil (10) in den Auslauf (13) ausgedrückt und der Ventil (8) verhindert das Ausdrücken in den Zulauf (14). Nach dem oberen Totpunkt tauschen die Kolben ihre Rollen, aber sie treiben die ganze Zeit unveränderlich das Fluid von dem Zulauf (14) in den Auslauf (13), und verwandeln damit die Verbrennungsenergie des Brennstoffes des Freikolbenmotors in die mechanische Energie der Fluidzirkulation.

Der hergestellte Druck wird im hydraulischem Motor (12) in Rotationsbewegung verwandelt, oder es können gewisse hydraulische Maschinen direkt auf der ausgesetzten Stelle betrieben werden.

Da die Explosionen in den Kammern (17) und (18) die Betriebsmaschinen erwärmen, ist es mit dem Fluid, das durch die Pumpe zirkuliert, möglich, auch die ganze Einrichtung zu kühlen, womit eine bessere Ausnützung der Betriebsmaschine während der Ausführung des Carnot Zyklus erreicht wird, weil die Kühlung von innen durchgeführt wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel

Das zweite Ausführungsbeispiel ist auf dem Bild 2 gezeigt. Der Unterschied von dem Beispiel 1, wo die Kolben selbst das Pumpen des Fluids durchgeführt haben, ist im Beispiel 2 an einer Achse (6) oder an mehreren der Kolben (23) gestellt, die mit ihrer Bewegung hin und her das Pumpen in den Kammern (21) und (22) durchführen. Die Rolle der Rückschlagventile (8), (9), (10) und (11) ist gleich der beschriebenen Funktion im ersten Beispiel. Die Kolbenenergieverwandlung in die gezwungene Fluidzirkulation und die Konversion des Fluidbewegen im hydraulischem Motor ist identisch wie im ersten Beispiel, mit einer Ausnahme, daß die direkte Kühlung der Betriebsmaschine nicht möglich ist, weil kein direkter Kontakt zwischen dem Fluid und der Arbeitskolben des Freikolbenmotors besteht.

Gleich so wie die erste Ausführung, hat auch diese Ausführung eine gewisse zusätzliche technische Eigenschaft. Die Besonderheit dieses Ausführungsbeispieles besteht in der Möglichkeit der Anpassung von den Arbeitsparametern des Motors selbst. Die Arbeitsparameter (vor allem die Verdichtungsverhältnisse) können durch die Verdrehung der Schraube (27), beziehungsweise durch die Achse mit einem entsprechenden Gewindetyp (25), die fest in den Grundträger (24) eingebettet ist, verändert werden. Die Zylinder (2), gezwungen durch das Drehen der Achse (25), können im Raum (20) bis zu einem Maximum gleiten, woran sie von den Trägern (26) getrieben sind. Aus Verständigungsgründen ist nur ein Teil des Mechanismus gezeichnet, weil sonst das Bild zu viele Einzelheiten erhalten würde. Durch das Zylinderbewegen ändern sich die Parameter des Carnot Zyklus.

Der Vergleich der Ausführung

Die erste und die zweite Ausführung ermöglichen die Erreichung von einem hohen endgültigen Verdichtungsverhältnis, weil die große mechanische Belastung der Kurbelwelle, vor allem an den Lagern und selbst an den Pleuelstangen ausgeblieben ist. Die mechanische Energie wird durch die Fluidenzirkulation und die Energieverwandlung durch den hydraulischen Motor, der die Hauptantriebswelle antreibt, übertragen.

Die erste Ausführung hat ein auf konstruktive Weise festgelegtes Verdichtungsverhältnis und die Möglichkeit der Kühlung von innen mit dem Fluid selbst, die Kolben haben eine doppelte Rolle.

Die zweite Ausführung hat die Möglichkeit für große Änderungen des Verdichtungsverhältnisses während der Arbeit, weil die Zylinder selbst ausweichen können und so können sich die Parameter des Motores auf diese Weise selbst ändern.

In der ersten sowie auch in der zweiten Ausführung ist es möglich mit dem Gefüge (7) die Arbeitseigenschaften zusätzlich zu ändern, zum Beispiel wenn man neben dem Brennstoff mit besonderen Hochdruckpumpen die Fluide einspritzt, die den Charakter der Verbrennungsmischung ändern. Auf diese Weise kann man bei der Verbrennungsmischung selbst die physikalen sowie auch die chemischen Eigenschaften ändern, und man kann zusätzlich den Druck selbst vor dem oberen Totpunkt, beziehungsweise vor dem Zündungsaugenblick vergrößern.

Es ist noch eine Möglichkeit, die die zweite Ausführung bietet, notwendig zu erwähnen, und das ist, daß man mehrere Freikolbenmotore für den Antrieb einer oder mehreren hydraulischen Pumpen ausnützen kann, so daß man auf die Achse (6) parallel mehrere grund "elastische" Betriebsblocks bindet.

Die gewerbliche Anwendung der Erfindung im breitestem Sinne ist überhaupt nicht fraglich, weil es sich um eine Einrichtung handelt, die die bessere Ausnützung der jetzigen Freikolbenmotoren und die Aussetzung sowie die Führung der mechanischen Kolbenenergie auf den Benützungsort ermöglicht. Ausser daß die Verbindung zwischen den Kolben und der Hauptantriebswelle auf eine eigenartige Weise gelöst ist, ist auch die Kühlung der Betriebsmaschine von innen (die Ausführung 1) und die Änderung der Arbeitsparameter (die Ausführung 2) auf eine neue Weise ermöglicht.

Die beiden angebotenen Lösungen können bei den Konstruktionen von Motoren mit großem Räumen und hohen Kompressionen verwendet sein, zum Beispiel, für die Schiffsmotore mit einem hohem Wirckungsgrad.

Claims

1. Freikolbenmotor mit:
zwei mit einer oder mehreren Kolbenstangen (6) fest miteinander verbundenen Kolben (3, 4), welche innerhalb eines Zylinders (2) schwingen;
einem Zylinder (2), welcher an seinen gegenüber liegenden Enden mit Zylinderköpfen (7) versehen sind, in welchen die Kolben (3, 4) beidseitig befeuert werden
eine den Zylinder (2) abteilende Zwischenwand (5), durch welche die Kolbenstangen (6) axial hindurchgeführt werden;
einem sich auf der Rückseite der Kolben (3, 4) befindenden Arbeitsmedium, das durch die Bewegung der Kolben (3, 4) über Rückschlagventile (8, 9) ein Aggregat (12) antreibt.

2. Freikolbenmotor nach Patentanspruch 1, bei welchem die Kolben (3, 4) eine hydraulische Pumpe ausbilden, wobei das Arbeitsmedium, das aus dem Zulauf (14) in den Auslauf (13) gepumpt wird, auch die Kühlung des Freikolbenmotors von innen durchführen kann.

3. Freikolbenmotor nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, bei welchem ein oder mehrere Kolbenverbindungsachsen (6) einen fest gebundenen Kolben (23) der hydraulischen Pumpe tragen, um eine lineare Kolbenbewegung im Arbeitsmedium im Zulauf (14) und Auslauf (13) zu erwirken.