DE20017773U1 - Free-piston engine with two coupled spring-mass vibration systems - Google Patents
Free-piston engine with two coupled spring-mass vibration systemsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit zwei Feder-Masse-Schwingungssystemen, mit einem Gehäuse und zumindest einem in dem Gehäuse angeordneten Zylinderraum, wobei in dem Zylinderraum zwei Kolben verschiebbar sind, welche eine zwischen den Kolben liegende Brennkammer in axialer Richtung begrenzen, wobei die Kolben die Massen des Feder-Masse-Schwingungssystems bilden und wobei zwischen jeder Masse und dem Gehäuse eine Feder angeordnet ist,The invention relates to a free-piston engine with two spring-mass vibration systems, with a housing and at least one cylinder chamber arranged in the housing, wherein two pistons are displaceable in the cylinder chamber, which delimit a combustion chamber located between the pistons in the axial direction, wherein the pistons form the masses of the spring-mass vibration system and wherein a spring is arranged between each mass and the housing,
Ein derartiger Freikolbenmotor ist aus der Druckschrift DE 197 43 776 A1 bekannt. Die Fig. 6 dieser Druckschrift zeigt einen Freikolbenmotor mit einem Zylinderraum, in welchem zwei Kolben verschiebbar angeordnet sind und die die Brennkammer des Freikolbenmotors begrenzen. Die Kolben arbeiten bei der Expansion des Brennstoffes in der Brennkammer gegen zwei aus Luftpolstern gebildeten Federn, durch welche die Kolben nach der Expansion zurück in die Brennkammer gedrückt werden. Dieses Luftpolster nimmt wäh-Such a free-piston engine is known from the publication DE 197 43 776 A1. Fig. 6 of this publication shows a free-piston engine with a cylinder chamber in which two pistons are arranged so that they can move and which delimit the combustion chamber of the free-piston engine. When the fuel expands in the combustion chamber, the pistons work against two springs made of air cushions, which push the pistons back into the combustion chamber after expansion. This air cushion takes up space during
rend der Expansion einen Teil der Verbrennungsenergie auf, speichert sie als Kompressionsarbeit und gibt sie während des Verdichtens wieder ab. Vorteilhaft bei einer derartigen Maschine mit zwei beweglichen Kolben ist, dass die Expansion schneller ablaufen kann. Dadurch kann ein größerer Teil der bei der Expansion frei werdenden Energie in kinetische Energie umgewandelt werden und der Anteil der in die Kolben und in das Gehäuse abgeleiteten thermischen Energie ist geringer. Der Nachteil eines derartigen Freikolbenmotors ist jedoch, dass die bei der Verbrennung frei werdende Energie nicht nur dafür aufgewendet werden muss, um die Kolben zu beschleunigen, sondern auch, um die elastischen Elemente, d.h. die Luftpolster, zu komprimieren. Dieses führt dazu, dass gerade unmittelbar nach der Zündung des Gemisches in der Brennkammer ein Teil der entstehenden Energie nicht in kinetische Energie umgewandelt werden kann, sondern als thermische Energie in die Wandung der Brennkammer transportiert wird. Der Wirkungsrad des Freikolbenmotors ist daher nicht befriedigend.During expansion, part of the combustion energy is absorbed, stored as compression work, and released again during compression. The advantage of such a machine with two moving pistons is that expansion can take place more quickly. This means that a larger part of the energy released during expansion can be converted into kinetic energy, and the proportion of thermal energy diverted into the pistons and the housing is lower. The disadvantage of such a free-piston engine, however, is that the energy released during combustion must not only be used to accelerate the pistons, but also to compress the elastic elements, i.e. the air cushions. This means that immediately after the mixture is ignited in the combustion chamber, part of the energy generated cannot be converted into kinetic energy, but is transported into the wall of the combustion chamber as thermal energy. The efficiency of the free-piston engine is therefore unsatisfactory.
Ein weiterer Nachteil des offenbarten Freikolbenmotors liegt darin, dass die Bewegung der beiden in der Fig. 6 dargestellten Kolben unterschiedlich schnell abläuft. Die beiden Kolben können sich nicht nur in entgegengesetzte Richtungen bewegen, sondern die Bewegungen können auch asynchron zueinander ablaufen. D. h., die Umkehrpunkte für die Kolben liegen sowohl zeitlich auseinander als auch örtlich in verschiedenen Entfernungen vom Zentrum des Brennraumes. Durch diese asynchronen Bewegungen der Kolben entstehen in dem Gehäuse des Freikolbenmotors gleichsinnig wirkende Reaktionskräfte, die durch das Fundament des Freikolbenmotors aufgenommen werden müssen. Da sich die Reaktionskräfte zum Teil addieren, müssen das Fundament und auch das Gehäuse entsprechend stabil ausgestaltet sein. In das Fundament Kräfte abzuleiten, bedeutet, Verluste in Kauf zu nehmen.A further disadvantage of the disclosed free-piston engine is that the movement of the two pistons shown in Fig. 6 occurs at different speeds. The two pistons can not only move in opposite directions, but the movements can also occur asynchronously to each other. This means that the turning points for the pistons are both temporally separated and spatially at different distances from the center of the combustion chamber. These asynchronous movements of the pistons create reaction forces in the housing of the free-piston engine that act in the same direction and that must be absorbed by the foundation of the free-piston engine. Since the reaction forces partially add up, the foundation and also the housing must be designed to be correspondingly stable. Transferring forces to the foundation means accepting losses.
Ferner ist von Nachteil, dass durch die hohe Leitfähigkeit der Brennraumwandungen die thermischen Verluste hoch sind.Another disadvantage is that the high conductivity of the combustion chamber walls results in high thermal losses.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Freikolbenmotor vorzuschlagen, bei dem zum Einen die bei der Verbrennung gewonnene Energie überwiegend als Nutzenergie abgeführt werden kann, bei dem durch die Synchronisierung der Kolbenbewegungen der perfekte Massenkräfteausgleich gelingt und somit die Verluste in das Fundament der Maschine minimiert werden und bei dem die Wandwärmeverluste durch Isolation begrenzbar werden, bei gleichzeitig unter Kontrolle bleibendem Verbrennungsablauf.The invention is therefore based on the object of proposing a free-piston engine in which, on the one hand, the energy gained during combustion can be dissipated predominantly as useful energy, in which the perfect balance of inertia forces is achieved through the synchronization of the piston movements and thus the losses in the foundation of the machine are minimized and in which the wall heat losses can be limited by insulation, while at the same time the combustion process remains under control.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Gehäuse und den Massen jeweils eine weitere Feder angeordnet ist, die konträr zu der ersten Feder wirkt und dass die Massen der beiden Feder-Masse-Schwingungssysteme miteinander gekoppelt sind, wobei die Kopplung ausschließlich entgegengesetzte Bewegungen der Massen erlaubt.This object is achieved according to the invention in that a further spring is arranged between the housing and the masses, which acts in contrast to the first spring and in that the masses of the two spring-mass oscillation systems are coupled to one another, wherein the coupling allows only opposite movements of the masses.
Die Feder-Masse-Systeme des Freikolbenmotors, welche aus jeweils zwei Federn und einem Kolben gebildet werden, sind Schwinger, bei denen Energie als Kompressionsarbeit in den Federn und/oder aber als kinetische Energie in der Bewegung der Kolben gespeichert ist. Die Kolben können sich bei Vernachlässigung einer Dämpfung der Federn, sobald sie einmal erregt sind, kontinuierlich zwischen den beiden Endlagen bewegen. Befinden sich jedoch die Kolben in der inneren Endlage, so ist das Gemisch in der Brennkammer verdichtet und wird gezündet. In dem Moment der Zündung wirken die jeweils komprimierte Feder und der Brennraumdruck gleichzeitig auf die Kolben. Dieses führt zu einer schnelleren Beschleunigung der Kolben in ihre äußere Endlage, was den Vorteil mit sich bringt, dass mehr der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in kinetische Energie umgesetzt werden kann, und weniger bei der Verbrennung frei werdende Energie als Wärme über das Gehäuse abgeführt wird. Der Wirkungsgrad eines derartigen Freikolbenmotors ist daher höher als der der bisher bekannten Freikolbenmotoren. The spring-mass systems of the free-piston engine, which are each made up of two springs and one piston, are oscillators in which energy is stored as compression work in the springs and/or as kinetic energy in the movement of the pistons. The pistons can move continuously between the two end positions once they are excited, if the damping of the springs is neglected. However, if the pistons are in the inner end position, the mixture in the combustion chamber is compressed and ignited. At the moment of ignition, the compressed spring and the combustion chamber pressure act on the pistons simultaneously. This leads to a faster acceleration of the pistons to their outer end position, which has the advantage that more of the energy released during combustion can be converted into kinetic energy, and less of the energy released during combustion is dissipated as heat through the housing. The efficiency of such a free-piston engine is therefore higher than that of the free-piston engines known to date.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors liegt darin, dass die Bewegungen der Kolben, d.h. der Feder-Masse-Schwingungssy-A further advantage of the free piston engine according to the invention is that the movements of the pistons, i.e. the spring-mass vibration system
sterne über die Kopplung zueinander synchronisiert sind. Dadurch können die Reaktionskräfte der bewegten Teile innerhalb der Maschine aufgefangen und ausgeglichen werden, so dass es keine vom Fundament der Maschine aufzufangenden Reaktionskräfte gibt.stars are synchronized with each other via the coupling. This allows the reaction forces of the moving parts within the machine to be absorbed and balanced, so that there are no reaction forces to be absorbed by the foundation of the machine.
Gemäß der Erfindung kann der Freikolbenmotor zwei Zylinderräume mit jeweils zwei, eine Brennkammer begrenzenden Kolben, aufweisen, wobei die Kolben in dem einen Zylinderraum starr mit je einem Kolben in dem anderen Zylinderraum verbunden sind. Die miteinander verbundenen Kolben bilden so die Massen der Feder-Masse-Schwingungssysteme. Ein derartiger Freikolbenmotor ist eine 2-Zylinder-Maschine, wobei die Expansion in den Zylindern vorteilhaft jeweils im Wechsel stattfindet. Dadurch läuft die Maschine insgesamt runder und auch die Leistungsabgabe ist stetiger als bei einer 1-Zylinder-Maschine. According to the invention, the free-piston engine can have two cylinder chambers, each with two pistons defining a combustion chamber, with the pistons in one cylinder chamber being rigidly connected to one piston in the other cylinder chamber. The interconnected pistons thus form the masses of the spring-mass vibration systems. Such a free-piston engine is a 2-cylinder machine, with the expansion in the cylinders advantageously taking place alternately. This means that the machine runs more smoothly overall and the power output is also more consistent than with a 1-cylinder machine.
Vorteilhaft sind die Zylinderräume fluchtend in dem Gehäuse des Freikolbenmotors angeordnet, wobei dann die zueinandergekehrten innenliegenden Kolben über eine Kolbenstange miteinander verbunden sind, während die beiden äußeren Kolben der Zylinderräume über einen Rahmen verbunden sind, so dass die Verdichtungsarbeit direkt und ohne Verlust vom Gestänge übertragen wird.Advantageously, the cylinder chambers are arranged in alignment in the housing of the free-piston engine, whereby the inner pistons facing each other are then connected to each other via a piston rod, while the two outer pistons of the cylinder chambers are connected via a frame, so that the compression work is transmitted directly and without loss from the rod.
Jeder der miteinander verbundenen Kolben der beiden Zylinderräume weist jeweils zwei entgegengesetzt wirkende Federn auf. Von diesen zwei entgegengesetzt wirkenden Federn der miteinander verbundenen Kolben können die jeweils gleich wirkenden Federn zu einer gemeinsamen Feder für beide Kolben zusammengefasst sein.Each of the interconnected pistons in the two cylinder chambers has two opposing springs. Of these two opposing springs in the interconnected pistons, the springs that work in the same way can be combined to form a common spring for both pistons.
Bei einem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor können vorteilhaft die Einlass und die Auslassöffnungen für das Luft-Kraftstoff-Gemisch bzw. die Abgase in entgegengesetzten Bereichen der Zylinderräume angeordnet sein. Dieses hat beim Spülvorgang, d.h. beim Einströmen des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches und beim gleichzeitigen Ausschieben der Abgase denIn a free-piston engine according to the invention, the inlet and outlet openings for the air-fuel mixture and the exhaust gases can advantageously be arranged in opposite areas of the cylinder chambers. This has the advantage of reducing the flow of air and fuel into the cylinder during the flushing process, i.e. when the fresh air-fuel mixture flows in and the exhaust gases are expelled at the same time.
Vorteil, dass die Bewegung des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches, als auch der Abgase in die gleiche Richtung erfolgt. Bei der Gleichstromspülung werden gegenüber der ebenso bekannten Umkehrspülung die Abgase schneller aus dem Zylinderraum ausgeblasen und bei dem Ausblasen entstehen weniger Verluste an frischem Luft-Kraftstoff-Gemisch.The advantage is that the movement of the fresh air-fuel mixture and the exhaust gases occurs in the same direction. With cocurrent flushing, the exhaust gases are blown out of the cylinder chamber more quickly than with the equally well-known reverse flushing, and there is less loss of fresh air-fuel mixture during the blowing out.
Vorteilhaft ist die Einlassöffnung der Brennkammer unmittelbar mit dem Vergaser des Freikolbenmotors verbunden. Vor dem während der Expansion verschlossenen Einlass staut sich dann das frische Luft-Kraftstoff-Gemisch. Sobald die Einlassöffnung bei der Expansion freigegeben wird, entlädt sich das frische Luft-Kraftstoff-Gemisch als Druckwelle in den entspannten Brennraum und treibt so die Abgase in gleicher Richtung aus der Brennkammer hinaus. Dadurch wird das aus dem Vergaser nachströmende Gas mitgerissen, welches - nachdem die Einlassöffnung während des Kompressionsschrittes wieder verschlossen ist - sich vor der verschlossenen Einlassöffnung aufstaut und für den im nächsten Schritt notwendigen Druck sorgt.It is advantageous for the inlet opening of the combustion chamber to be directly connected to the carburetor of the free-piston engine. The fresh air-fuel mixture then builds up in front of the inlet, which is closed during expansion. As soon as the inlet opening is opened during expansion, the fresh air-fuel mixture is released as a pressure wave into the relaxed combustion chamber and drives the exhaust gases out of the combustion chamber in the same direction. This entrains the gas flowing out of the carburetor, which - after the inlet opening is closed again during the compression step - builds up in front of the closed inlet opening and provides the pressure required in the next step.
Erfindungsgemäß können die innere Wandung des Zylinderraumes und/oder die brennkammerseitigen Flächen der Kolben mit einer Keramik beschichtet sein. Dass die Verwendung von Keramik zur Beschichtung der Brennraumwandung bei herkömmlichen Kurbelwellenmotoren große Probleme bereitet, ist bekannt. Sich schnell ändernde Verbrennungsbedingungen während der Erwärmung der Keramikschicht, führen zu unkontrollierten Verbrennungsabläufen mit hohen Druckspitzen, die die Maschine thermisch und mechanisch überlasten. Da bei Freikolbenmotoren die Kolben während der Verbrennung nicht dem von der Kurbelwelle geometrisch vorgegebenen Weg folgen müssen, können sie durch direkte Beschleunigungsbewegung besser den im Brennraum herrschenden Drücken folgen. Außerdem ist es möglich, die in der Keramikschicht gespeicherte Überschusswärme abzubauen, indem für ein paar Takte Wasserdampf in den erhitzten Brennraum eingespritzt wird, welcher vorher nacheinander in den Dampferzeugern der Brennraumwandung und der Abgasanlage erzeugt wurde. Es kann also zwischen einem verbrennungsmotorischen Betrieb und einem dampfmotorischen Betrieb desAccording to the invention, the inner wall of the cylinder chamber and/or the combustion chamber-side surfaces of the pistons can be coated with a ceramic. It is known that the use of ceramic to coat the combustion chamber wall in conventional crankshaft engines causes major problems. Rapidly changing combustion conditions during the heating of the ceramic layer lead to uncontrolled combustion processes with high pressure peaks, which thermally and mechanically overload the machine. Since in free-piston engines the pistons do not have to follow the geometrically predetermined path of the crankshaft during combustion, they can better follow the pressures prevailing in the combustion chamber through direct acceleration movement. It is also possible to reduce the excess heat stored in the ceramic layer by injecting steam into the heated combustion chamber for a few cycles, which was previously generated one after the other in the steam generators of the combustion chamber wall and the exhaust system. It is therefore possible to distinguish between internal combustion engine operation and steam engine operation of the
Freikolbenmotors gewechselt werden, was zu einer besseren Ausnutzung der thermisch freigesetzten Energie führt und so den Wirkungsgrad der gesamten Freikolbenmaschine erhöht.free-piston engine, which leads to better utilization of the thermally released energy and thus increases the efficiency of the entire free-piston machine.
Ausführungsbeispiele sind an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigtExamples of implementation are described in more detail in the drawing.
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Freikolbenmotor mit zwei Zylinderräumen, einer Kopplung mittels eines Zahnrades und einem Generator,Fig. 1 shows a free piston engine according to the invention with two cylinder chambers, a coupling by means of a gear wheel and a generator,
Fig. 2 einen weiteren Freikolbenmotor ähnlich Fig. 1, jedoch mit einer Kopplung mittels eines Kurbel/Kurbelschlaufen-Mechanismusses,Fig. 2 shows another free piston engine similar to Fig. 1, but with a coupling by means of a crank/crank loop mechanism,
Fig. 3 einen Freikolbenmotor ähnlich Fig. 1, mit einer Kopplung mittels eines ZahnriemensFig. 3 a free piston engine similar to Fig. 1, with a coupling by means of a toothed belt
Fig. 4 einen Freikolbenmotor ähnlich Fig. 1, unter Vernachlässigung der Kopplung, jedoch mit unmittelbar vom Vergaser mit Luft-Kraftstoff-Gemisch beaufschlagten Einlassöffnungen undFig. 4 a free piston engine similar to Fig. 1, neglecting the coupling, but with intake openings directly supplied with air-fuel mixture from the carburettor and
Fig. 5 einen Freikolbenmotor mit einem Zylinderraum, mit einer Kopplung über eine Kurbelwelle mit zwei Kurbelzapfen.Fig. 5 a free piston engine with one cylinder chamber, with a coupling via a crankshaft with two crank pins.
Das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen erfindungsgemäßen Freikolbenmotor mit einem Gehäuse 1 und in dem Gehäuse axial fluchtend angeordneten Zylinderräumen 2, 2'. In jedem dieser Zylinderräumen 2, 2' sind jeweils zwei Kolben 10a, 10b bzw. 10a', 10b' verschiebbar gelagert. In jedem Zylinderraum 2, 2' wird durch die Kolben 10a, 10b bzw. 10a', 10b' in dem zwischen den Kolben 10a, 10b bzw. 10a', 10b" liegenden Bereich eine Brennkammer 3 bzw. 3' ausgebildet. Die beiden äußeren an den entgegengesetzten Enden des Gehäuses 1 liegenden Kolben 10b, 10b' sind über einen Rahmen 12 miteinander starr verbunden. Die beiden inneren Kolben 10a, 10a' sind über eine Kolbenstange 11 starr miteinander verbunden. Zwischen dem Rahmen 12 und dem Gehäuse 1 sind an den beidenThe embodiment shown in Fig. 1 shows a free-piston engine according to the invention with a housing 1 and cylinder chambers 2, 2' arranged axially aligned in the housing. In each of these cylinder chambers 2, 2', two pistons 10a, 10b or 10a', 10b' are slidably mounted. In each cylinder chamber 2, 2', a combustion chamber 3 or 3' is formed by the pistons 10a, 10b or 10a', 10b' in the area between the pistons 10a, 10b or 10a', 10b". The two outer pistons 10b, 10b' located at the opposite ends of the housing 1 are rigidly connected to one another via a frame 12. The two inner pistons 10a, 10a' are rigidly connected to one another via a piston rod 11. Between the frame 12 and the housing 1, at the two
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jeweiligen Enden des Gehäuses 1 Federn 13b, 13b' eingesetzt. Die beiden Federn 13b, 13b' wirken dabei in entgegengesetzte Richtungen. Auf die die beiden inneren Kolben 10a, 10a' verbindende Kolbenstange 11 ist ein Ständer 14 eines Lineargenerators aufgeflanscht. Zwischen diesem Ständer 14 und dem Gehäuse sind zwei Federn 13a, 13a' eingesetzt, welche in entgegengesetzte Richtungen auf den Ständer 14 und damit über die Kolbenstange 11 auf die inneren Kolben 10a, 10a'wirken.Springs 13b, 13b' are inserted at the respective ends of the housing 1. The two springs 13b, 13b' act in opposite directions. A stator 14 of a linear generator is flanged onto the piston rod 11 connecting the two inner pistons 10a, 10a'. Two springs 13a, 13a' are inserted between this stator 14 and the housing, which act in opposite directions on the stator 14 and thus via the piston rod 11 on the inner pistons 10a, 10a'.
Auf der den Brennkammern 3, 3' abgewandten Seite der inneren Kolben 10a, 10a' ist jeweils eine Vorverdichtungskammer 4, 4' angeordnet. Diese Vorverdichtungskammer 4, 4' hat eine Einlassöffnung 9, 9' durch welche ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Vorverdichtungskammer 4, 4' einströmen kann. Die Vorverdichtungskammer 4, 4' ist über einen Überströmkanal 6, 6' mit der Brennkammer 3, 3' verbunden. Wobei die Einlassöffnung 5, 5' der Brennkammer 3, 3' dabei jeweils von den inneren Kolben 10a, 10a' freigegeben wird. Im entgegengesetzten Bereich der Brennkammer 3,3' bzw. des Zylinderraumes 2, 2' ist jeweils eine Auslassöffnung 7, 7' angeordnet, durch welche das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Brennkammer 3, 3' ausgestoßen wird.A pre-compression chamber 4, 4' is arranged on the side of the inner pistons 10a, 10a' facing away from the combustion chambers 3, 3'. This pre-compression chamber 4, 4' has an inlet opening 9, 9' through which an air-fuel mixture can flow into the pre-compression chamber 4, 4'. The pre-compression chamber 4, 4' is connected to the combustion chamber 3, 3' via an overflow channel 6, 6'. The inlet opening 5, 5' of the combustion chamber 3, 3' is thereby opened up by the inner pistons 10a, 10a'. In the opposite area of the combustion chamber 3, 3' or the cylinder chamber 2, 2', an outlet opening 7, 7' is arranged through which the burned air-fuel mixture is expelled from the combustion chamber 3, 3'.
Auf dem Rahmen 12, mittels dessen die beiden äußeren Kolben 10b, 10b' miteinander verbunden sind, ist ein mit dem Ständer 14 zusammenwirkender Läufer 15 angebracht. Ständer 14 und Läufer 15 bilden zusammen einen Lineargenerator, welcher auf Grund der Relativbewegung von Ständer 14 und Läufer 15 eine elektrische Spannung induziert, die an äußeren Klemmen abgegriffen werden kann. Ständer 14 und Läufer 15 dienen gleichfalls der Kopplung der beiden in dem Freikolbenmotor angeordneten Schwingungssystemen. Sowohl an dem Ständer 14 als auch an dem Läufer 15 sind Zahnstangen 16a angebracht, in welche ein ortsfestes frei laufendes Zahnrad 16a' eingreift. Dieses ortsfeste Zahnrad 16a' zwingt Ständer 14 und Läufer 15 und somit die inneren Kolben 10a, 10a' und die äußeren Kolben 10b, 10b' zu einer entgegengesetzten, aber synchronen Bewegung.A rotor 15 that interacts with the stator 14 is mounted on the frame 12, by means of which the two outer pistons 10b, 10b' are connected to one another. Stator 14 and rotor 15 together form a linear generator that induces an electrical voltage due to the relative movement of stator 14 and rotor 15, which can be tapped at external terminals. Stator 14 and rotor 15 also serve to couple the two vibration systems arranged in the free-piston engine. Racks 16a are mounted on both stator 14 and rotor 15, into which a stationary, freely running gear 16a' engages. This stationary gear 16a' forces stator 14 and rotor 15, and thus the inner pistons 10a, 10a' and the outer pistons 10b, 10b', to move in opposite but synchronous directions.
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Der Freikolbenmotor arbeitet wie folgt:8th
The free piston engine works as follows:
Befindet sich die Kolbenstange 11 mit den daran befestigten inneren Kolben 10a, 10a' in einer rechten Endstellung, muss sich auf Grund der Kopplung über den Kopplungsmechanismus 16 der Rahmen mit den daran befestigten Kolben 10b, 10b' in einer linken Endstellung befinden. In dieser Stellung befindet sich die rechte Brennkammer 3' im Zustand der größtmöglichen Verdichtung, während die linke Brennkammer 3 im Zustand der größtmöglichen Expansion ist. Das in der rechten Brennkammer 3' befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch wird nun gezündet und treibt die beiden in der rechten Zylinderkammer gelagerten Kolben 10a' und 10b' auseinander. Die Bewegung der Kolben 10a', 10b' wird dabei von der inneren Feder 13a' und von der äußeren Feder 13b' unterstützt. Diese beiden Federn 13a', 13b' ermöglichen eine schnelle Beschleunigung der Kolben 10a', 10b1 zum Anfang der Expansionsbewegung, so dass ein Großteil der Energie unmittelbar in kinetische Energie umgewandelt werden kann und nur ein geringer Anteil der Energie als thermische Energie in die Kolben oder die Zylinderraumwandungen abgeführt wird. Parallel zu der Expansionsbewegung in der rechten Hälfte der Maschine wird das in der linken Brennkammer 3 befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert. Bei dieser Kompressionsbewegung des inneren KoI-ben 10a wird frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch von einem nicht dargestellten Vergaser angesaugt und in die Vorverdichtungskammer 4 gespült. Kurz bevor in der rechten Brennkammer 3' die größtmögliche Expansion und in der linken Brennkammer die gewünschte Kompression erreicht sind, wird in der rechten Brennkammer 3' die Auslassöffnung T geöffnet. Gleichzeitig wird die Einlassöffnung 5' geöffnet und das in der Vorverdichtungskammer 4' befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch wird über den Überströmkanal 6' von dem Kolben 10a' in die Brennkammer 3' gepresst. Das einströmende frische Luft-Kraftstoff-Gemisch drückt dabei das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch (Abgase) durch die geöffnete Auslassöffnung 7' aus der Brennkammer 3' heraus. Die Spülung läuft dabei nach dem Prinzip der Gleichstromspülung ab, wodurch im Gegensatz zu der auch bekannten Umkehrstromspülung der Austausch des verbrauchten Luft-Kraftstoff-Gemisches gegen das frischeIf the piston rod 11 with the inner pistons 10a, 10a' attached to it is in a right-hand end position, the frame with the pistons 10b, 10b' attached to it must be in a left-hand end position due to the coupling via the coupling mechanism 16. In this position, the right-hand combustion chamber 3' is in the state of the greatest possible compression, while the left-hand combustion chamber 3 is in the state of the greatest possible expansion. The air-fuel mixture in the right-hand combustion chamber 3' is now ignited and drives the two pistons 10a' and 10b' mounted in the right cylinder chamber apart. The movement of the pistons 10a', 10b' is supported by the inner spring 13a' and the outer spring 13b'. These two springs 13a', 13b' enable rapid acceleration of the pistons 10a', 10b 1 at the start of the expansion movement, so that a large part of the energy can be converted directly into kinetic energy and only a small part of the energy is dissipated as thermal energy in the pistons or the cylinder chamber walls. Parallel to the expansion movement in the right half of the machine, the air-fuel mixture in the left combustion chamber 3 is compressed. During this compression movement of the inner piston 10a, fresh air-fuel mixture is sucked in by a carburetor (not shown) and flushed into the pre-compression chamber 4. Shortly before the greatest possible expansion is achieved in the right combustion chamber 3' and the desired compression in the left combustion chamber, the exhaust opening T in the right combustion chamber 3' is opened. At the same time, the inlet opening 5' is opened and the air-fuel mixture in the pre-compression chamber 4' is pressed into the combustion chamber 3' by the piston 10a' via the overflow channel 6'. The incoming fresh air-fuel mixture presses the burned air-fuel mixture (exhaust gases) out of the combustion chamber 3' through the opened outlet opening 7'. The flushing takes place according to the principle of cocurrent flushing, whereby, in contrast to the also known reverse current flushing, the used air-fuel mixture is exchanged for the fresh
Luft-Kraftstoff-Gemisch verbessert ist. Haben die Kolben 1Oa1 10b, 10a', 10b' ihre jeweilige Endstellung erreicht, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der linken Brennkammer 3 gezündet und die Bewegungsrichtung der Kolben 10a, 10b, 10a', 10b' dreht sich um. Das in der linken Brennkammer 3 befindliehe Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und expandiert, während das in der rechten Brennkammer 3' befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch komprimiert wird.Air-fuel mixture is improved. When the pistons 10a 1 10b, 10a', 10b' have reached their respective end positions, the air-fuel mixture in the left combustion chamber 3 is ignited and the direction of movement of the pistons 10a, 10b, 10a', 10b' is reversed. The air-fuel mixture in the left combustion chamber 3 burns and expands, while the air-fuel mixture in the right combustion chamber 3' is compressed.
Das in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorhergehenden dadurch, dass die Kopplung über einen Kurbel/Kurbelschlaufen-Mechanismus 16b hergestellt wird und dass an die Kurbelwelle ein Elektrogenerator/Motor angeflanscht ist. Dazu sind jeweils am Rahmen 12 und an der Kolbenstange 11 Kurbelschlaufen 16b' vorgesehen, in welche eine Kurbel 16b eingreift. Diese Kurbel 16b' ist ortsfest drehbar gelagert und die Kurbel 16b führt bei der Hin- und Her-Bewegung von Rahmen 12 und Kolbenstange 11 eine unvollständige Rechts-Links-Drehung aus.The embodiment shown in Fig. 2 differs from the previous one in that the coupling is made via a crank/crank loop mechanism 16b and that an electric generator/motor is flanged to the crankshaft. For this purpose, crank loops 16b' are provided on the frame 12 and on the piston rod 11, into which a crank 16b engages. This crank 16b' is mounted in a fixed position and the crank 16b performs an incomplete right-left rotation when the frame 12 and piston rod 11 move back and forth.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 hingegen hat einen Kopplungsmechanismus 16, der durch Zahnräder und Zahnriemen umgesetzt ist. Der bzw. die Zahnriemen 16c' sind dazu mittelbar an dem Rahmen 12 einerseits und mittelbar an der Kolbenstange 11 andererseits befestigt. Gleichzeitig werden die Zahnriemen durch zwei Zahnräder, die ortsfest gelagert sind, gespannt. Jeweils eines oder beide Zahnräder ist/sind auf Wellen von Elektrogeneratoren/Motoren aufgesetzt, deren Läufer zusammen mit den Zahnrädern alternierende rechts/links Drehbewegungen ausführen. Durch die Hin- und Her-Bewegung von Kolbenstange 11 und Rahmen 12 werden die Zahnriemen 16c' jeweils gleichsinnig mit bewegt. Die Bewegungen von Kolbenstange 11 und der damit verbundenen Teile einerseits und des Rahmens 12 und der mit dem Rahmen verbundenen Teile andererseits ist damit synchronisiert.The embodiment according to Fig. 3, however, has a coupling mechanism 16 which is implemented by gears and toothed belts. The toothed belt(s) 16c' are attached indirectly to the frame 12 on the one hand and indirectly to the piston rod 11 on the other. At the same time, the toothed belts are tensioned by two gears which are mounted in a fixed position. One or both gears are mounted on shafts of electric generators/motors, the rotors of which, together with the gears, perform alternating right/left rotational movements. The back and forth movement of the piston rod 11 and frame 12 causes the toothed belts 16c' to move in the same direction. The movements of the piston rod 11 and the parts connected to it on the one hand and the frame 12 and the parts connected to the frame on the other hand are thus synchronized.
Der Kopplungsmechanismus 16 ist bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors vernachlässigt.The coupling mechanism 16 is neglected in the embodiment of a free piston engine according to the invention shown in Fig. 4.
t »t »
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich jedoch von dem vorherigen dadurch, dass an dem Überströmkanal 6 bzw. 6' unmittelbar Leitungen 8 angeschlossen sind, über welche frisches Gas-Luft-Gemisch unmittelbar vom Vergaser zu den Brennkammern geleitet werden kann. Das vom Vergaser angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch staut sich dabei vor den verschlossenen Einlassöffnungen 5, 5' der Brennkammern 3, 3'. Sobald die Einlassöffnung 5, 5' frei gegeben wird, entleert sich das aufgestaute Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Brennkammer 3, 3' hinein und treibt die Abgase aus der Brennkammer 3, 3' durch die Auslassöffnung 7, 7' hinaus. Dabei wird weiteres Luft-Kraftstoff-Gemisch aus dem Vergaser angesaugt und mitgerissen. Durch den plötzlichen Verschluss der Einlassöffnung 5, 5' bildet sich auf Grund der Trägheit des vom Vergaser angesaugten Luft-Kraftstoff-Gemisches erneut vor der verschlossenen Einlassöffnung ein Bereich hohen Druckes aus, welcher mit frischem Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt ist.The embodiment shown in Fig. 4 differs from the previous one in that lines 8 are connected directly to the overflow channel 6 or 6', via which fresh gas-air mixture can be fed directly from the carburetor to the combustion chambers. The air-fuel mixture sucked in by the carburetor accumulates in front of the closed inlet openings 5, 5' of the combustion chambers 3, 3'. As soon as the inlet opening 5, 5' is opened, the accumulated air-fuel mixture empties into the combustion chamber 3, 3' and drives the exhaust gases out of the combustion chamber 3, 3' through the outlet opening 7, 7'. In the process, further air-fuel mixture is sucked in from the carburetor and entrained. Due to the sudden closure of the inlet opening 5, 5', a high-pressure area filled with fresh air-fuel mixture forms again in front of the closed inlet opening due to the inertia of the air-fuel mixture sucked in by the carburetor.
Der in Fig. 5 dargestellte Freikolbenmotor unterscheidet sich von dem vorhergehend beschriebenen dadurch, dass er nur eine Brennkammer 3 aufweist. Die beiden Schwingungssysteme werden also nur mehr von einem einzigen Kolben 10 und den zugeordneten Federn 13 gebildet. Die beiden Kolben 10 sind dabei über Kurbelstangen 16d und Kurbelscheiben 16d' miteinander gekoppelt, so dass auch hier eine Synchronisierung der Bewegung der beiden Kolben und somit der Schwingungssysteme erreicht wird. Die Arbeitsweise des in Fig. 5 dargestellten Freikolbenmotors entspricht im Weiteren jedoch weitgehend der Arbeitsweise der vorhergehend beschriebenen Freikolbenmotoren mit der Maßgabe, dass die Energie nur in einer Brennkammer 3 gewonnen wird. Die beiden Kurbelzapfen auf der Kurbelscheibe 16' befinden sich auf der selben Höhe und lassen keine komplette Drehbewegung zu. Bei der Auswärtsbewegung der Kolben wird aber der äußere Totpunkt durchfahren. Ein thermodynamischer Vorteil, der beim Ankoppeln und Betrieb von Kompressoren genutzt werden kann.The free-piston engine shown in Fig. 5 differs from the one described above in that it has only one combustion chamber 3. The two vibration systems are therefore only formed by a single piston 10 and the associated springs 13. The two pistons 10 are coupled to one another via crank rods 16d and crank disks 16d', so that here too a synchronization of the movement of the two pistons and thus of the vibration systems is achieved. The operation of the free-piston engine shown in Fig. 5 largely corresponds to the operation of the free-piston engines described above, with the proviso that the energy is only generated in one combustion chamber 3. The two crank pins on the crank disk 16' are at the same height and do not allow a complete rotational movement. When the pistons move outwards, however, the outer dead center is passed through. A thermodynamic advantage that can be used when coupling and operating compressors.
1111
1 Gehäuse1 housing
2 Zylinderraum2 Cylinder chamber
3 Brennkammer3 Combustion chamber
4 Vorverdichtungskammer4 Pre-compression chamber
5 Einlassöffnung5 Inlet opening
6 Überströmkanal6 Overflow channel
7 Auslassöffnung7 Outlet opening
8 Leitung vom Vergaser8 Line from carburettor
9 Einlassöffnung der Vorverdichtungskammer9 Inlet opening of the pre-compression chamber
10 Kolben10 pistons
10a innerer Kolben10a inner piston
10b äußerer Kolben10b outer piston
11 Kolbenstange 12 Rahmen11 Piston rod 12 Frame
13 Federn13 springs
13a Federn des inneren Schwingungssystems13a Springs of the internal vibration system
13b Federn des äußeren Schwingungssystems13b Springs of the external vibration system
14 Ständer 15 Läufer14 Stands 15 Runners
16 Kopplungsmechanismus16 Coupling mechanism
16a Zahnrad/Zahnstangen16a Gear/rack
16b Kurbel/Kurbelschlaufen16b Crank/Crank loops
16c Zahnrad/Zahnriemen16c Gear/Timing belt
16d Kurbelstangen/Kurbelscheibe16d Crank rods/crank disc
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20017773U DE20017773U1 (en) | 2000-10-17 | 2000-10-17 | Free-piston engine with two coupled spring-mass vibration systems |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE20017773U DE20017773U1 (en) | 2000-10-17 | 2000-10-17 | Free-piston engine with two coupled spring-mass vibration systems |
Publications (1)
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| DE20017773U1 true DE20017773U1 (en) | 2001-01-18 |
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ID=7947731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20017773U Expired - Lifetime DE20017773U1 (en) | 2000-10-17 | 2000-10-17 | Free-piston engine with two coupled spring-mass vibration systems |
Country Status (1)
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|---|---|
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