DE2217194C3 - Freikolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine bekannte Maschine dieser Bauart ist beschrieben in der FR-PS 11 63 512.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den Verbrennungsprozeß und die mechanischen Eigenschaften einer derartigen Maschine bestimmenden Daten derart festzulegen, daß bei gutem Wirkungsgrad der Maschine möglichst keine unverbrannten giftigen Verbrennungsnickstände entstehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst. Dabei wird ein weitgehender Abbau der toxischen Bestandteile in den Abgasen, nämlich an Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyd und Stickoxyden erzielt.

Ausgangspunkt der Erfindung war dabei die Erkenntnis, daß die schädlichen Kohlenwasserstoffanteile im Abgas, die Folge einer unvollständigen Verbrennung sind, durch Verbrennung eines mageren Gemisches bei hoher Verdichtung weitgehend abgebaut werden; ferner daß die giftigen Kohlenmonoxydanteile im Abgas bei Anwesenheit einer genügend großen Sauerstoffmenge vollständig zu Kohlendioxyd verbrannt werden und schließlich daß die giftigen Stickoxyde bis auf einen vernachlässigbar kleinen Anteil durch geeignete Steuerung der Verbrennung hinsichtlich Temperatur und Zeit abgebaut werden können. Für den letztgenannten Zusammenhang war die Erkenntnis von Bedeutung, daß es dabei auf eine Verringerung der Maximaltemperatur auf etwa 1900 bis 2000° K ankommt, und darauf, daß Temperaturen über 1200 ° K etwa nur 300 bis 1000 μεεε auftreten. Erst die Abstimmung dieser verbrennungsseitig wünschenswerten Bedingungen auf die mechanische Charakteristik der Maschine konnte nach umfangreichen Versuchen zur erfinuungsgemäßen Lösung führen, die einen bestimmten Brennstoffanteil im Verhältnis zur Kolbenmasse und zur Speicherkapazität der elastischen Puffer festlegt. Das Verdichtungsverhältnis beträgt dabei etwa 26, der Brennstoffgehalt ca. 0,25. Die gleichzeitige Einhaltung aller Kombinationsmerkmale des Patentanspruchs ist die Gewähr dafür, daß bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine das angestrebte Ziel der Reduzierung der giftigen Abgasbestandteile erreicht wird.

im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Freikolbenbrennkraftmaschine mit einem einzigen Zylinder dargestellt.
s In den Zylinder 1 sind zwei bewegliche Kolben 2, 3 angeordnet. Der Zylinder 1 weist Einlaßöffnungen 4, 5 und Auslaßöffnungen 6, 7 auf. Die Kolben 2,3 bewegen sich symmetrisch zwischen einem inneren Totpunkt und einem äußeren Totpunkt hin und her. Der innere

ίο Totpunkt ist erreicht, wenn die einander gegenüberliegenden Arbeitsflächen der Kolben sich auf 0,2 cm in den ' Umkehrpunkten angenähert haben, bevor sie das der Brennkammer 8 zugeführte Gemisch verdichten. Der äußere Totpunkt ist erreicht, wenn die äußeren

is Stirnflächen der Kolben 2, 3 die Flüssigkeit in den beiden hydroelastischen Puffer 9,10 zusammengedrückt haben. leder Kolben 2, 3 trägt gleichermaßen eine Masse aus ringförmigen Platten 11, 12, welche sich bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens innerhalb

>o ringförmiger Induktoren 13,14 verschiebt. Die Induktoren 13, 14 stellen zusammen mit den Platten 11, 12 Anlaßorgane zum Inbetriebsetzen der Maschine, Steuerorgane zur Phasenverschiebung der freilaufenden Kolben 2, 3 und Generatoren zur Erzeugung von

2s elektrischer Energie dar.

Daraus ergibt sich, daß man mit der erfindungsgemäßen Maschine alternativ auch eine andere Energieform verwirklichen kann, beispielsweise eine hydraulische Energie, welche an den hydroelastischen Puffer 9 und 10

ίο abgenommen wird; diese dann auch als Getriebeeinrichtungen wirkenden Puffer benötigen einen Flüssigkeitsein- und -auslaß. Anstelle hydroelastischer Puffer 9, 10 können auch pneumatische Puffer vorgesehen sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt das maximale Volumen der Brennkammer 8 200 ecm. Die hydroelastischen Puffer 9,10 sind so ausgelegt, daß sie eine Gesamtenergie zwischen 0,5 und 2 Joule je ecm speichern und wiedergeben. Wählt man als Mittelwert hierfür I Joule je ecm, dann beträgt die Gesamtenergie bezogen auf das Maximalvolumen 200 Joule. Enthält jeder hydroelastische Puffer 9, 10 200 ecm Dieselöl, welches bei jedem Zyklus auf einen Druck von 426 bar zusammengedrückt wird und beträgt die Kompressibilität des Öls 0,000055 je bar, so ist die in jedem hydroelastischen Puffer gespeicherte Energie:

0,000055 x426² χ 200
2Ö

= 100 Joule.

Andererseits ist davon auszugehen, daß die Kolben 2, 3 eine Masse zwischen 5 und 30 g je ecm, bezogen auf das Maximalvolumen der Brennkammer 8 haben. Diese Masse betrage 10 g je ecm, woraus sich für beide Kolben 2, 3 ein Wert von 2 kg errechnet. Falls also die Masse

ss jedes Kolbens 1 kg beträgt, so kann er durch den hydroelastischen Puffer 9, 10 mit einer theoretischen Maximalgeschwindigkeit von

- = 14,4 m/sec

zurückbewegt werden; dies entspricht einer mittleren Geschwindigkeit von 10 m/sec. Die Betriebsfrequenz der Maschine beträgt daher 100 Zyklen je Sek. Die Dauer jedes Zyklus beträgt somit 10 ms und die Zeitdauer für Temperaturen über 1200° K liegt in der Größenordnung von 1 ms.

Die Maximaltemperatur kann nur zur Aufheizung des

Gases führen; sie ergibt sich einerseits aus der Verbrennung des durch die Einspritzvorrichtung 15 eingespritzten Brennstoffe und andererseits aus der Umwandlung von etwa 80% der durch die hydroelastischen Puffer zurückgeführten mechanischen Energie. Wenn man beispielsweise einen Heizwert von 10 Kalorien je 1 mg Brennstoff und eine mittlere spezifische Wärme von 0,25 annimmt, so errechnet sich näherungsweise die folgende Aufheizung des Gases:

(1Ox 3)

-C4

ν 4,18

0,2 χ 0,25

= 1360 K.

Wenn im Augenblick des Schließens der Auslaßöffiiungen die Gastemperatur 350° beträgt, wird eine Maximaltemperatur von 1360 + 350 = 1710 °K erreicht.

Bei einer solchen Maximaltemperalur und der oben errechneten Hochtemperatur-Zeitdauer von 1 ms ist die Bildung von Stickoxyden extrem gering. Dabei beträgt die Leistung der Maschine je 200 ecm wirksamen Zylindervolumens etwa 8 PS.

Dies ist beachtlich, wenn man bedenkt, daß der Brennstoffgehalt sehr gering ist. Wählt man in dem vorgegebenen Bereich zwischen 0,01 und 0,02 mg Dieselöl/ccm, bezogen auf das maximale Brennkammervolumen, eine Brennstoffmenge von 0,015mg/ccm, so betragt die Gesamtbrennstoffmenge 3 mg. Wenn man annimmt, daß das in dem Zylinder enthaltene Luftgewicht 0,2 g beträgt, so errechnet sich daraus ein Verhältnis von Brennstoff zu Luft von 1/67, was einen beträchtlichen Luftüberschuß bei einem Brennstoffgehalt von etwa 0,22 bedeutet.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Freikolbenbrennkraftmaschine mit einem oder mehreren Zylindern in welchen jeweils zwei Kolben symmetrisch bewegbar und mittels elastischer Puffer rückführbar angeordnet sind, bei welcher die Energie der unter der Wirkung expandierender Brenngase bewegten Kolben ohne mit diesen mechanisch gekuppelte Übertragungsglieder abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die je Bewegungszyklus eingespritzte Brennstoffmenge bei Maximalleistung 0,01 bis 0,02 mg Dieselöl oder eine an thermischer Energie äquivalente Menge eines anderen Brennstoffs,

   b) die Masse der Kolben (2,3) 5 bis 3C g, und

   c) die Speicherkapazität der elastischen Puffer (9, 10) 0,5 bis 2 Joule,

   jeweils bezogen auf 1 ecm des Zylindervolumens bei Beginn der Verdichtung, betragen.