DE2365470A1 - Freikolbenwaermekraftmaschine - Google Patents

Description

Ausscheidunasanmeldung aus P 23 07 760.3-13

Jacques Henri JARPET, 35bis, Avenue du Belloy,

78 Le Vesinet, Yvelines, Frankreich und Jean Marie Baptiste JARRET, "La Champanello"

Chemin du Clos-Baron 78 Fourqueux, Yvelines, Frankreich

Freikolbenwärmekraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine FreikolbenwSrreekraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder in welchem zwei Kolben zwischen inneren und äußeren Totpunkten hin- und herbeweglich geführt sind, wobei jedem Kolben eine gegenüber diesem abgedichtete, mit Druckflüssigkeit gefüllte, an die Stirnseite des Kolbens angrenzende Hochdruckkammer zur Rückführung des Kolbens aus dem äußeren Totpunkt zugeordnet ist.

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Bei hydraulischen Getrieben sind ventilgesteuerte Vorrichtungen zum Nachfüllen von Druckflüssigkeit bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgebe zugrunde, eine Freikolbenwärmekraftpaschine der eingangs erwähnten Art mit einer Einrichtung zum Ausgleich von Leckverlusten zu versehen, die gleichzeitig die Schwingungsbewegung der Freikolben und damit den Wirkungsgrad der gesamten Maschine verbessert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedem Kolben eine gegenüber diesem abgedichtete ebenfalls an dessen Ftirnseite ancrrenzende Niederdruckkaimer zugerodnet ist, die in äußeren Totpunkt des Kolbens mit Flüssiakeit unter einer" etwas über Atmosphärendruck lieaendem Druck gefüllt ist und deren Druck während des Verdichtungshubs bis zum Erreichen des inneren Totpunkts absinkt und Werte unter dem Atnosphärendruck annimmt, und daß die Hochdruckkammer und die Niederdruck kammer durch eine mit Flüssigkeit gefüllte beidseitig durch Ventile verschließbare Füllkammer verbunden sind, deren Ventile beim öffnen eine Durchströmung lediglich von der Ftillkammer zur Hochdruckkammer bzw. von der Niederdruckkairmer zur Füllkammer, abhängig von den Druckverhältnissen, gestatten.

Nach dem erfindungsgemäßen Lösungsgedanken übt der Sog in der Niederdruckkammer während des nach innen gerichteten Verdichtungshubs des Kolbens eine Rückhalte-

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wirkung auf diesen aus, etwa wie eine Feder mit konstanter Reaktionskraft, welche der Federwirkung der mit Druckflüssigkeit gefüllten Hochdruckkammer, die wie eine elastische hydraulische Feder wirkt, entgegenwirkt. Aufgrund dieser Bückhaltewirkung ergibt sich eine Erhöhung der Schwingungsfrequenz und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Maschine.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung im Rahmen des erfindungsgemäßen Grundgedankens besteht darin, daß die Hochdruckkamirer an die Außenseite einer den Zylinder stirnseitig abschließende Wand anarenzt, welche einen rohrförmigen Fortsatz aufweist, der in eine diesen eng umschließende Bohrung des zugeordneten Kolbens hineinragt, und daß die Niederdruckkammer durch einen von der Wand und der die Bohrung umgebenden Stirnseite des Kolbens begrenzten ZyUnterabschnitt gebildet ist. Bei dieser Ausführungshorn treten Flttssigkeitsverluste zwischen Hochdruckkammer und Niederdruckkammer im Bereich der Bohrung auf, die jedoch gering sind und über die Füllkammer wiederausgeglichen.werden. Die zentrale Bohrung des Kolbens, in welche der Fortsatz hineinragt ermöglicht nicht nur eine ideale Verteilung der einerseits mit der Hochdruckkammer andererseits mit der Niederdruckkammer zusammenwirkenden Stirnflächen des Kolbens; Bohrung und Fortsatz ermöglichen außerdem.noch ein verhältnismäßig langhubiges Abfedern des Kolbens im Bereich des äußeren _tTotpunkts, was den Gaswechsel im Verbrennungsraum zwischen den beiden Kolben begünstlot .und zur Herabsetzung von Pchwingungsstoßen führt.

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Entsprechend den Druckverhältnissen in der Niederdruckkammer ist es zweckmäßig, daß die Ventile der Füllkammer derart ausgebildet sind, daß der darin herrschende Flüssigkeitsdruck größer ist als Atmosphärendruck aber kleiner als der Höchstdruck in der Niederdruckkairaner im äußeren Totpunkt des Kolbens.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Niederdruckkairaner mit einer von einer? Flüssigkeitsbehälter kommenden Leitung in Verbindung steht, deren Durchtrittsquerschnitt durch ein Ventil festgelegt ist, welches sich für eine Durchströmung von der Niederdruckkammer zn dem Behälter öffnet und in seiner Mitte eine kalibrierte öffnung für den ständigen Durchtritt von Druckflüssigkeit aus dem Behälter zur Niederdruckkaimer während des zum inneren Totpunkt hin laufenden Verdichtungshubs des Kolbens aufweist. Dabei kann erfindungsgemäß die durch die öffnung eintretende Flüssigkeitsmenge die Lage des äußeren Totpunkts des Kolbens bestimmen· Diese Lage wird zweckmäßig so eingestellt, daß im äußeren Totpunkt des Kolbens die Mündung der Leitung in den Zylinder durch den Kolben verschlossen, die Mündung der Füllkammer hingegen offen ist.

Durch die Flüssigkeitszufuhr aus einem externen Flüssigkeitsbehälter werden zusätzliche Leckverluste am Umfang des Kolbens ausgeglichen.

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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, deren einzioe Abbildung einen halbseiticren Schnitt durch eine Freikolbenmaschine mit dem Kolben im äußeren Totpunkt zeigt.

Die hydraulische Feder ist an einer mit innerer Verbrennung arbeitenden Freikolbenwärmekraftmaschine 1 dargestellt, welche einen Zylinder 2 aufweist ,der zwei Kolben . 3 enthält, die zwischen sich einen gemeinsamen Verbrennungsraum 4 veränderlichen Volumens begrenzen, in welchen eine oder mehrere Aus laß leitungen sowie eine oder mehrere Einlaßleitungen 6 münden.

Der Zylinder 2 ist stirnseitig durch eine Wand 7 abgeschlossen, welche an eine Hochdruckkaminer 9 mit dem Boden 8 angrenzt. Die Wand 7 wird auf ihrer der Hochdruckkammer 9 abgewandten Seite durch einen rohrförmigen Fortsatz 10 verlängert, dessen Hohlraum in die Hochdruckkammer 9 mündet. Der Fortsatz 10 hat einen Außendurchmesser, welcher etwas kleiner als der Durchmesser einer axialen Blindbohrung 11 ist, welche im Kolben 3 von dessen der Wand 7 zugewandten Stirnseite ausgeht. Die Länge der Bohrung 3 ist deutlich größer als die axiale Länge des rohrförmigen Fortsatzes 1O. ®

Zwischen der Wand 7 und der zugeordneten Stirnseite des Kolbens 3 ist eine Niederdruckkairr^er 12 veränderlichen Volumens gebildet. In die Niederdruckkammer 12 mündet eine von einem. Flüssigkeitsbehälter kommende Leitung 13, deren Durchtrittsauerschnitt durch ein Ventil 14 gesteuert wird, welches in seiner Mitte eine kalibrierte Öffnung 15 aufweist. Die Leitung 13 mündet in die Niedesrruckkammer 12 nane der Wand 7, und zwar an der

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dem Süßeren Totpunkt entsprechenden Stelle. Der Zylinder und der Kolben 3 besitzen über ihre ganze Länge einen konstanten Querschnitt. '

Die Niederdruckkammer 12 steht ferner über ein Ventil . nit einer außerhalb des Zylinders 2 verlaufenden Füllkairmer 17 in Verbindung, welche über ein Ventil 18 in die Hoch druckkammer 9 mündet. Das Ventil ist so ausgebildet, daß es nur eine Verbinduna in der Richtung Niederdruckkamner 12 - FtfHkami^er 17 ermöglicht, während das Ventil 18 so ausgebildet ist, daß es nur eine Verbindung in der Richtung Füllkammer 17 - Hochdruckkammer 9 gestattet.

Die Ventile 14, 16 und 18 sind so geeicht, daß in der dem äußeren Totpunkt entsprechenden Stellung des • Kolbens 3 und somit bei der größten Zusammendrückung der hydraulischen Feder, die der elastischen Rückführung des Kolbens 3 dient, der Druck in der Niederdruckkammer 12 einen etwas über den» AtrcosphS-rendruck liegenden Wert erreicht, während ein hoher Druck in der Kammer 9 und in der Füllkammer 17 ein unter dem in der Niederdruckkammer 12 herrschenden Druck liegender Druck herrscht. Die Arbeitsweise der Freikolbenwä rrcekraftmaschine ist wie folgt:

In der auf der Zeichnung dargestellten äußeren Totpunktstellung wird die stets die aanze Hochdruchkammer 9 füllende Druckflüssigkeit der größten Zusammendrückung ausaesetzt, so daß die elastische Rückwirkung durch den Fortsatz 10 auf den Boden der

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Bohrung 11 übertragen wird und den Kolben 3 zum inneren Totpunkt hin drückt. In der ständig mit Druckflüssigkeit gefüllten Hochdruckkamroer 9 nimmt der Druck dann allmählich ab, ui* am Ende des Verdichtungshubes des Kolbens 3 einen in der Nähe des Atraosphärendrucks liegenden Wert Zu erreichen. Die Verschiebung des Kolbens 3 verorfißert das Volumen der Niederdruckkammer 12, in welcher der Druck kleiner als der AtmosphSrendruck wird, sobald die zum inneren Totpunkt hin gerichtete Bewegung des Kolbens begonnen hat. Die NiederdrucV.kamirer 12 übt daher eine Rückhaltewirkung auf den Kolben 3 aus und wirkt wie eine Feder mit konstanter Peaktionskraft, welche der durch die Druckflüssigkeit der Hochdruckkaminer 9 gebildeten den Kolben 3 rückführenden elastischen Feuerwirkung entgegenwirkt. Hierdurch wird die Arbeitsfrequenz der Freikolben für eine gegebene Energie vergrößert.

Während der Bewegung des Kolbens 3 in Fichtung auf den inneren Totpunkt bleiben die Ventile 16 und 18 geschlossen, so daß keine überführung von Flüssigkeit zwischen der Hochdruckkammer 9 und der Niederdruckkammer 12 durch die Füllkammer 17 stattfindet. lehrend dieser Beweguncr ist) das Ventil 14 geschlossen, sein Durchlaß 15 läßt jedoch Flüssigkeit mit konstanter Strömungsmenge in das Innere der Niederdruckkammer treten. An der Stelle des inneren Totpunkts sinkt der Druck in der Hochdruckkammer 9 auf Atirosphärendruck, so daß der Druck in der Füllkammer 17 die öffnung des Ventils 18 bewirkt, welches eine kleine

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Fitissigkeitsmenqe in die Hoch druckkammer 9 austreten läßt, um etwaige Leckverluste auszugleichen, welche z. B. zwischen den miteinander zusammenwirkenden Flächen der Eohrung 11 und des rohrförmigen Fortsatzes 10 auftreten.

Nach der Explosion der im Verbrennungsraum 4 verdichteten und verbrannten Gase wirr? jeder Kolben 3 zum äußeren Totpunkt zurückgeschleudert, wodurch die Druckflüssigkeit in der Hochdruckkammer 9 zunehmend verdichtet wird. Der verhältnismäßig kleine Querschnitt der Bohrung 11 ermöglicht- die Erzielung eines hohen Drucks in der Druckkammer 9 bei verhältnismäßig großem Futzhub. Wehrend der Kolben 3 zum äußeren Totpunkt gedrückt wire?, nimmt der Druck in der Niederdruckkamroer 12 zu und erreicht einen V7ert, bei dem das Ventil 14 öffnet, und die Abfuhr der überschüssigen Druckfass ierkeit ermöglicht; dadurch wird die Flüssigkeitsmenge in der Niederdruckkaitmer 12 auf einem Volumen gehalten, dem im äußeren Totpunkt ein Druck entspricht, der größer als der in der Füllkammer 17 herrschende Druck ist. Das Ventil 16 öffnet sich dann und läßt die Zufuhr von Druckflüssigkeit aus der Niederdruckkammer 12 in die Füllkammer 17 zu, in der sich ein Druck aufbaut, der wie oben ausgeführt die Auffüllung der Hochdruckkammer 9 mit Druckflüssigkeit gestattet um Leckverluste zwischen Hochdruckkammer 9 und Miederdruckkammer 12 auszuoleichen. Die Leitung 13 mündet Über das Ventil 14 an einer Stelle in die Nieder-

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druckkammer 12, daß ihre Mündung durch den Kolben 3 geschlossen wird, wenn dieser die äußere Totpunktsstellung einnimmt.

Nachstehend ist ein Zahlenbeispiel für die verschiedenen Energieen angegeben, welche durch die Hochdruckkairarer 9 und die Niederdruckkammer 12 aufgespeichert werden.

Jeder Kolben 3 der Freikolbenwärmekraf tmas chine habe einen Durchmesser von 7cm und einen Hub von 5 cm..Die Volumina der Kammern 9 und 12 seien in dem Augenblick, in welchem der Kolben 3 den äußeren Totpunkt erreicht, 240 cm³ bzw, 10 cm³ . In dieser Stellung herrsche in der Hochdruckkammer 9 ein Druck von 500 bar, in der Niederdruckkammer 12 ein Druck von 20 bar und in der Füllkammer 17 ein Druck von nur 2 bis 5 bar. Die in der Hochdruckkammer 9 aufgespeicherte Nutzenergie beträgt unter der Annahme einer Zusairmendriickbarkeit der Flüssigkeit von etwa 0,on0056/bar:

O,OOOQ5P χ 5OO² :: 240 - 168 Joule 20

während die von der Flüssigkeit der Niederdruckkammer aufgespeicherte Energie folgenden Wert hat:

0,000056 χ 2O² χ 10 - 0,0112 Joule. 20

Die kinetische Energie der Freikolben wird somit fast vollständig in der Hochdruckkammer 9 aufgespeichert, wobei trotzdem ein verhältnismäßig langer Nutzhub möglich ist.

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Im Rahmen der Erfindung kann an der Stelle des Bodens eine Anzapfung zur Speisung eines hydraulischen Motors vorgesehen werden. Die Vorrichtung arbeitet dann außer als hydraulische Feder auch als Pumpe mit geringer Förderleistung aber hohem Druck.

Patentansprüche:

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Freikolbenwärmekraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder in welchem zwei Kolben zwischen inneren und äußeren Totpunkten hin- und herbeweglich geführt sind, wobei jedem Kolben eine geoenüber diesem abgedichtete, mit Druckfltissiakeit gefüllte an die Stirnseite des Kolbens angrenzende Hochdruckkammer zur Rückführung des Kolbens aus dem äußeren Totpunkt zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kolben (3) eine gegenüber diesem abgedichtete ebenfalls an dessen Stirnseite angrenzende Niederdruckkammer (12) zugeorndet ist, die im äußeren Totpunkt des Kolbens (3) mit,Flüssigkeit unter einem etwas über Atmosphärendruck liegendem Druck gefüllt ist und deren Druck während des Verdichtungshubs bis zum Erreichen des inneren Totpunktes absinkt und Werte unter den Atmosphärendruck annimmt,

und daß die Hoch druckkammer (9) und die Niederdruckkaroner (12) durch eine mit Flüssigkeit gefüllte beidseitig durch Ventile (16,18) verschließbare Fttllkammer (17) verbunden sind, deren Ventile (16,18) beim öffnen eine Druchströmung lediglich von der Ftillkammer (17) zur Hochdruckkarmer (9) bzw. von der Niederdruckr kammer (12) zur Füllkammer (17), abhängig von den Druckverhältnissen, gestatten.

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2. Freikolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die₍ Hochdruck -kammer (9) an die Außenseite einer den Zylinder stirnseitig abschließenden Wand (7) angrenzt, welche einen rohrförmigen Fortsatz (10) aufweist, der in eine diesen eng umschließende zentrale Bohrung (11) des zugeordneten Kolbens (3) hineinragt, und daß die Niederdruckkamroer (12) durch einen von der Wand (7). und der die Bohrung (11) umgebenden Stirnseite des Kolbens (3) begrenzten Zylinderabschnitt gebildet ist.

3. Freikolbenwärmekraftmaschine nach Anspruch 1 od<*r 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (16,18) der Füllkammer (17) derart ausaebildet sind, daß der darin herrschende Flüssigkeitsdruck größer ist als Atmosphärendruck aber kleiner als der Höchstdruck in der Nie der druckkammer (12) im äußeren Totpunkt des Kolbens.

4. Freikolbenwärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckkammer (12) mit einer von einem Flüssigkeitsbehälter kommenden Leitung (13) in Verbindung steht, deren Durchtrittsquerschnitt durch ein Ventil (14) festgelegt ist, welches sich für eine Druchströmung von der Niederdruckkammer (12) zu dem Behälter öffnet und in seiner Mitte eine kalibrierte öffnung (15) für den ständigen Durchtritt von Druckfltfssigkeit aus dem Behälter zur Niederdruckkammer (12) während des zum inneren Totpunkt hin laufenden Verdichtunoshubs des Kolbens (3) aufweist.

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5. Freikolbenwärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet', daß die durch die öffnung (15) eintretende Flüssigkeitsmenge die Lage des Süßeren Totpunkts des Kolbens (3) bestimmt.

6. Freikolbenwärmekraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im äußeren Totpunkt des Kolbens (3) die Mündung der Leitung (13) in den Zylinder (2) durch den Kolben (3) verschlossen, die Mündung der Füllkammer (17) hingegen offen ist.

3. Oktober 1974/ 647 d

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