DE2407028C2

DE2407028C2 - Freikolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2407028C2
Application number: DE2407028A
Authority: DE
Inventors: Anton Minneapolis Minn. Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-14
Publication date: 1986-03-13
Also published as: ATA123174A; JPS572895B2; IL44133A0; NL7402113A; AT388028B; FR2218476A1; ES423187A1; DE2407028A1; IT1007653B; JPS5024619A; NL181675B; NL181675C; US3853100A; BE811100A; FR2218476B3; CA999528A; AU6567674A

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Freikolbenbrennkraftmaschinen kommt es darauf an, ein »Klopfen« zu vermeiden. Unter Klopfen wird im vorliegenden Zusammenhang jeder anomale Verbrennungszustand, etwa Frühzündung, Selbstzündung oder Rumpeln verstanden, der zu einem anomalen Druckanstieg im Zylinder führt Ein derartiges Klopfen kann schwere Schaden an der Maschine verursachen und ihre Leistungsfähigkeit mindern. Andererseits arbeitet die Maschine, unmittelbar bevor sie zu klopfen beginnt, mit maximalem Wirkungsgrad.

Bei einer bekannten Freikolbenbrennkraftmaschine der eingangs bezeichneten Gattung, wie sie aus der deutschen Patentschrift 8 85 785 bekannt ist, wird in einem mit dem Arbeitszylinder über ein Ventil verbundenen Behälter ein zum Druck im Arbeitszylinder proportionaler aber verringerter Druck erzeugt, der dazu dient, über einen zusätzlichen Kolben und einen mit einer Zahnstange und einem Spindelantrieb arbeitenden Verstellmechanismus einen Hilfskolben derart zu beaufschlagen, das in einer Rückführeinrichtung, deren weiterer Kolben mit dem Arbeitskolben verbunden ist, ein Totraum vergrößert oder verkleinert und dadurch die Rückführenergie für den Arbeitskolben verändert wird. Abgesehen davon, daß diese bekannte Steuerung nicht unmittelbar auf Klopfbedingungen bzw. die einem Klopfen unmittelbar vorausgehende Bedingung anspricht, muß, da der die Rückführenergie für den Arbeitskolben speichernde Zylinder in seiner Größe verändert wird, der Verstellmechanismus genügend stabil und schwer ausgeführt sein, um die an dem Hilfskolben auftretenden Kräfte auszuhalten. Dies bedeutet, daß die Ansprechempfindlichfceit der Steuerung begrenzt ist.

Aus der US-Patentschrift 34 56 492 ist ferner eine Vorrichtung bekannt, bei der das Signal eines Klopfsensors einerseits zur Verstellung der Maschine und andererseits zur Beeinflussung des Brennstoff-i uft-Verhältnisses herangezogen wird. In diesem Fall hanvielt es sich um eine mit Kurbelwelle arbeitende Brennkraftmaschine, wobei ein Klopfen dadurch vermieden werden soll, daß der Arbeitszylinder selbst relativ zu der entsprechenden Endlage des Arbeitskolbens mechanisch verstellt wird. Wiederum ist dazu ein entsprechend massiv und schwer ausgeführter Versteümechanismus erforderlich, dessen Ansprechempfindlit;±eit begrenzt ist.

Im übrigen dient die aus dieser Druckschrift bekannte Vorrichtung lediglich zu Testzwecken zur Gewinnung von für Raffinerien maßgeblichen Daten über die Zusammensetzung des Brennstoffs.
Zum weiteren Stand der Technik wird auf die US-Patentschrift 35 01 088 hingewiesen, aus der eine Freikolbenbrennkraftmaschine als solche bekannt ist, sowie auf die US-Patentschrift 26 19 605, die einen Vibrationssensor als solchen offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Freikolbenbrennkraftmaschine derart zu gestalten, daß sie sich mit hoher Ansprechempfindiichkeit möglichst nahe an demjenigen optimalen Arbeitspunkt betreiben läßt, bei dem sie gerade zu klopfen beginnt, ein anhaltendes Klopfen aber nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Freikolbenbrennkraftmaschine mit Klopfsteuerung,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine andere Freikolbenbrennkraftmaschine mit abgeänderter Klopfsteucrung und

F i g. 3 ein Detail der F i g. 2 in wiederum veränderter

Ausführung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind zur Bezeichnung gleicher Teile oder Elemente für die verschiedenen gezeigten Ausführungsbeispiele der Maschine die gleichen Bezugsziffern verwendet. Soweit in der folgenden Beschreibung die Ausdrücke »rechts« und »links« benützt werden, beziehen sie sich auf die jeweilige Darstellung in den Zeichnungen. Diese Ausdrücke dienen !»diglich zur Vereinfachung der Beschreibung.

In F i g. 1 ist eine Freikolbenmaschine des in der USA-Patentschrift 35 01 088 beschriebenen Typs gezeigt. Eine derartige Freikolbenmaschine umfaßt einen Arbeitsteil 12, einen Ausgleichs- und Synchronisationsteil 13 sowie einen Energieverbraucher, der bei 14 schematisch dargestellt ist. Bei dem Energieverbraucher 14 kann es sich um einen Verdichter handeln, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, ferner um eine Pumpe, einen Generator oder eine sonstige Einrichtung, die mit hin- und hergehender Bewegungsenergie arbeitet bzw. diese verbraucht.

Der Arbeitsteil 12 umfaßt ein Zylindergeh.^r:ase 15, in dem ein Arbeitszylinder 16 ausgebildet ist In dem Zylinder 16 arbeitet ein Arbeitskolben 17 hin- und herbewegbar, der eine Außenfläche 18 und eine dem offenen Ende zugewandte Mantelwand 21 aufweist. Um Gasverluste zwischen dem Zylinder 16 und dem Kolben 17 so gering wie möglich zu machen, sind in dem Kolben 17 Nuten vorgesehen, in denen Kolbenringe 22 angeordnet sind. Das linke Ende des Zylindergehäuses 15 ist mit einem Zylinderkopf 24 abgeschlossen, der mit der Außenfläche 18 des Kolbens 17 in dem Zylinder 16 eine Verbrennungskammer 26 abgrenzt.

In dem Zylinderkopf 24 ist eine Zündkerze 25 befestigt, die den Zylinderkopf 24 durchsetzt und über eine entsprechende Zündleitung 28 an eine geeignete Zündspannungsquelle angeschlossen ist. Ferner ist in dem Zylinderkopf 24 eine herkömmliche Brennstoff-Einspritzeinheit 27 befestigt, die ebenfalls den Zylinderkopf 24 durchsetzt und an eine geeignete Brennstoffzuführleitung 29 angeschlossen ist. Wie später beschrieben werden soll, wird der Kolben 17 durch eine Rückführenergie-Einrichtung gegen den Zylinderkopf 24 bewegt. Bei richtiger Wahl der Menge an Rückführenergie wird die Luft durch die Linksbewegung des Kolbens 17 in der Verbrennungskammer 26 auf ein gewünschtes Maß verdichtet. Während des Kompressionshubs wird durch die Einspritzeinheit 27 Brennstoff in den Zylinder geleitet, und zu einem geeigneten Zeitpunkt in dem Kompressionszyklus wird die Zündkerze 25 beaufschlagt, so daß das Gemisch aus dem durch die Einspritzeinheit 27 eingeleiteten Brennstoff und der Luft gezündet wird. Das Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis zwischen dem Volumen der Verbrennungskammer zu demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Kompression der Luft in de^r Kammer beginnt, und dem Volumen zu demjenigen Zeitpunkt während des Maschinenzyklus, zu dem der Kolben 17 dem Zylinderkopf 24 am nächsten steht. Das Kompressionsverhältnis hängt von der Rückführenergie ab, die zur Bewegung des Kolbens zur Verfugung steht. Wie noch beschrieben wird, sieht die Erfindung Mitte! vor, um diese Rückführenergie zu verändern und dadurch das Kompressionsverhältis zur Vermeidung des Klopfens zu steuern.

Das Zylindergehäusi 15 ist mit Einlaß- und Auslaßöffnungen versehen. Die Einlaßöffnungen sind mit 31 bezeichnet, während die Ausiaßöffnungen mit 32 angegeben sind. Gegebenenfalls sind mehrere Einlaßöffnungen 31 und mehrere Auslaßöffnungen 32 vorgesehen. Die Auslaßöffnungen 32 sind etwas näher am Zylinderkonf 24 angeordnet als die Einlaßöffnungen, um eine Spülung der Abgase zu gewährleisten.

Die Einzelheiten des Ausgleichs- und Synchronisationsteils bilden keinen Teil der vorliegenden Erfindung; denn ein derartiger Mechanismus und die Wirkungsweise ist in der USA-Patentschrift 35 25 102 beschrieben. Der Ausgleichs- und Synchronisationsteil 13 befindet

ίο sich in einem Gehäuse 35 und umfaßt eine doppelseitige Zahnstange 36, die mit der an dem Kolben 17 befestigten Kolbenstange 37 verbunden ist und koaxial zu dieser verläuft. Der Ausgleichs- und Synchronisationstei! 13 umfaßt ferner ein Paar von Ritzeln 38 und 39, die um feste Achsen drehbar montiert sind. Die Ritzel 38 und 39 greifen in zwei in Abstand voneinander befindliche Zahnstangen 40 und 41 ein, die von seitlichen Platten zusammengehalten werden (in Fig. 1 ist nur die eine Seitenplatte 42 zu sehen). Bewegt sich die Kolbenstange 37 infolge der Zündung des brennb·.- .:n Gemisches innerhalb der Verbrennungskammer 2o nach rechts, so bewegt die Zahnstange 36 über die Ritzel 38 und 39 die aus den Zahnstangen 40 und 41 und den Seitenplatten bestehende Einheit nach links und gleicht dadurch die auf die Maschine durch die Bewegung sämtlicher mit der Kolbenstange 37 bewegbarer Teile einwirkenden Kräfte aus.

Es handelt sich bei dem gezeigten Energieverbraucher 14 um einen Kompressor. Der Kompressor umfaßt ein Zylindergehäuse 50, das einen Kompressorzylinder

51 bildet. In dem Zylinder 51 bewegt sich ein Kompressorkolben 52, an dem eine Kolbenstange 53 befestigt ist, die ihrerseits an der doppelseitigen Zahnstange 36 und der Arbeitskolbenstange 37 befestigt ist. Die Kompressorkolbenstange 53 verläuft koaxial zu der Arbeitskolbenstange 37. Mit anderen Worten bewegen sich der Arbeitskolben 17, die Zahnstange 36, die Kolbenstange 53 und der Kompressorkolben 52 als eine ilinheiv. Wie der Arbeitskolben 17 kann auch der Kompressorkolben 52 mit Kolbenringen 55 versehen sein, die gegebenenfalls in Nuten in dem Kolben 52 angeordnet sind.

Am Ende des Zylindergehäuses 50 ist ein Zylinderkopf 56 befestigt. Der Zylinderkopf 56 ist mn einer Einlaßbohrung 58 versehen, die während des Kompressionshubes des Kolbens 52 durch ein Rückschlagventil 59 geschlossen ist, das sich nach innen öffnet, um während des Ansaughubes des Kolbens 52 Luft einzulassen. Der Zylinderkopf 56 ist ferner mit einer Auslaßbohrung 61 versehen, die während des Ansaughubes des Kolbens 52 durch ein nach außen öffnendes Rückschlagventil 62 geschlossen wird. Die Bohrung 61 führt gegebenenfalls zu einem entsprechenden Behälter, der die komprimierte Luf' unter Druck aufnimmt. Die Ventile 59 und 62 sind normalerweise zur Unterstützung der Dichtwirkung in den Ventilsitzen vorgespannt.

Bei Normalbetrieb werden der Kolben 52 und der Arbeitskolben 17 aufgrund des rechts von dem Kolben

52 bestehenden Druckes abrupt nach links bewegt. Indem sich der Kolben 52 nach links bewegt, schließt das Auslaßventil 62, sobald der Druck an der Auslaßseite des Ventils 62 größer ist als der Druck zwischew dem Kolben 52 und dem Zylinderkopf 56. Das Einlaßventil 59 öffnet, sobald der Druck zwischen dem Kolben 52 und dem Zylinderkopf 56 'jnter denjenigen Druck fällt, der an der Einlaßseite des Ventils 59 herrscht, so daß dann Luft in die Kompressionskammer zwischen dem Kolben 52 und dem Zylinderkopf 56 angesaugt wird. Die beiden Kolben 17 und 52 bewegen sich weiter nach links. Wäh-

rend derjenigen Zeit, in der die Einlaßöffnungen 31 durch Bewegung des Kolbens 17 nach rechts geöffnet waren, gelangte durch diese Öffnungen 31 Luft in die Verbrennungskammer 26. Wie oben erläutert, wird Brennstoff durch die Linspritzeir.heit 27 eingespritzt, und das Brennstoffgemisch wird durch die Zündkerze 25 gezündet. Infolge der Zündung in der Verbrennungskammer bewegt sich der Kolben 17 schnell nach rechts, wobei auch der Kompressorkolben 52 nach rechts bewegt wird, und die Luft, die durch die Einlaßbohrung 58 angesaugt worden ist verdichtet. Indem die Luft komprimiert wird, gelangt sie durch die Auslaßbohrung 61 in den genannten Druckbehälter.

Die von dem Kompressorkolben 52 verdichtete Luft wird somit nicht nur einem Behälter zugeführt, sondern dient auch als dasjenige Medium, in dem die Rückführenergie gespeichert wird, die für den Kompressionshub des Kolbens 17 erforderlich ist.

Viii anderen Worten wirken der 52 und der Kompressorzylinder 51 als ein Teil der Rückführenergie-Einrichtung für den Arbeitskolben 17. Dieser Rückführenergie-Einrichtung wirkt teilweise eine Ruekwuri'kammer 65 links von dem Kolben 52 entgegen. Die Kammer 65 besteht zwischen der linken Seite des Kolbens 52 und einer Trennwand 66. die das iinkc Finde des Zylinders 51 von dem Gehäuse 35 für den Ausgleichs- und S\nchronisationsteil 13 trennt. Bei der Kammer 65 kann es sich um eine positive oder eine negative Rückwurfkammer handeln, je nachdem, ob diese Kammer die Rückwurfenergie, die für den Kornpressionshub des Arbeitskolbens zur Verfügung steht, unterstüt/t oder vermindert. In dem dargestellten Beispie! arbeitet die Kammer 65 als negative Rückwurfkammer, da der Druck, der sich bei Linksbewegung des Kolbens 52 aufbaut, die Bewegung des Kompressorkolbens 52 und des Arbeitskoibens 17 während des Kornpresssor,jh'jbefi des /\rbe,tskoibens ΐ7 hemmt

Durch die Wand des Zylindergehäuses 50 verläuft eine Öffnung 67. in die ein nach innen öffnendes Rückschlagventil 68 eingesetzt ist. Das Ventil ist in seine geschlossene Stellung vorgespannt und steht an seinem äußerer; Ende mit einem Strömungsbegrenzungs-Element 69 in Verbindung. Durch die Wand des Zylindergehäuses 50 verläuft ferner eine Öffnung 71. in der ein unter Druck vorgespanntes Auslaßventil 72 befestigt ist. Dieses Auslaßventil 72 weist eine Bohrung 73 auf.die an ihrem unteren Ende mit dem Innern der Rückwurfkammer 65 in Verbindung steht. Oben, endet die Bohrung 73 m einem Ventilsitz, der einen Ventilkörper 75 aufnimmt. Der Venüikörper 75 steuert die Verbindung zwischen der Bohrung 73 und einer Auslaßöffnung 74. Zwischen dsm Raum oberhalb des Ventilkörpers 75 und der Gehäuseaußenwand des Ventils 72 befindet sich eine Kammer 76. Der Druck in dieser Kammer bestimmt die Vorspannung des Ventilkörpers 75. In die Kammer 76 wird Druck über eine Leitung 78 eingeleitet, die an eine Steuerfluidumquelle 79 angeschlossen ist. Die Strömung des Steuerfiuidums aus der Quelle 79 in die Kammer 76 wird durch ein Ventil 80 gesteuert. Aus der Kammer 76 strömt die Luft bzw. das sonstige als Steuerfluidum verwendete Medium kontinuierlich durch eine Entlüftungsöffnung 81. Der Druck in der Kammer 76 hängt also von der Größe der Entlüftungsöffnung 81 und vom Öffnungsgrad des Ventils 80 ab. Ist das Ventil 80 geöffnet, so hat der Druck in der Kammer 76 die Neigung sich aufzubauen und den Ventiikörper 75 fester gegen seinen Sitz zu drücken, ist das Ventil 80 geschlossen, so baut sich der Druck über die Entlüftungsöffnung 81 ab.

Das durch die Entlüftungsöffnung 81 entweichende Fluidum kann bei Bedarf in geeigneter Weise zyklisch rückgeführt werden.

Das Ventil 80 wird durch eine Elektromagnetspule 82 oder eine sonstige geeignete Betätigungseinrichtung betätigt. Die Erregung der Spule 82 wird durch einen Sensor 84 gesteuert, der am Zylinderkopf 24 des Arbeitszylinders 15 befestigt ist. Bei dem Sensor 84 kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung handeln, die auf Vibrationen eines Maschinenelements, das den Klopfeinsatz anzeigt, anspricht und bei Auftreten derartiger Erschütterungen ein elektrisches Signal erzeugt. Derartige Einrichtungen sind bekannt und brauchen nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Eine typische Einrichtung dieser Art ist in dem USA-Patent 26 19 605 gezeigt. Das Ausgangssignal des Sensors 84 wird über eine elektrische Leitung 85 und eine Erdung 86 auf einen geeigneten elektronischen Verstärker 87 gekoppelt, der über SfjcisciciiüricCM SS und 89 mit EnSr⁰Je verlor¹⁷* wird. Der Verstärker 87 weist vorzugsweise herkömmliche Einrichtungen auf, die das Signal filtern oder in sonstiger Weise modifizieren und ein relativ gleichmäßiges A isgangssignal erzeugen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 87 liegt über Leitungen 90 und 91 an der Elektromagnetspule 82 zur Betätigung des Ventils 80. Sooft der Sensor 84 einen Kiopfeinsatz der Maschine 12 wahrnimmt, erzeugt er ein Signal, das in dem Verstärker 87 verstäi u.t und gefiltert wird und die Magnetspule 82 erregt, so daß das Ventil 86 geöffnet wird und Fluidurn aus der Quelle 79 über die Leitung 78 der Kammer 76 zuführt.

Die Rückwurfkammer 65 arbeaet folgendermaßen: Sooft sich der Kompressorkolben 52 nach rechts in Kompressionsrichtung bewegt, sucht er durch das Strömungsbegrenzungs-Element 69 und das Rückschlagventil 68 Luft in die Rückwurfkammer 65 zu saugen, infolge des Begren/.ungs-Elements 69 ist die ansgesaugte Luftmenge in gewisser Weise begrenzt. Bewegt sich der Kompressorkolben 52 beim Kompressionshub des Arbeitskolbens 17 infolge der Energie, die in der zwischen dem Kompressorkolben 52 und dem Zylinderkopf 56 verdichteten Luft gespeichert ist, nach links, so schließt das Rückschlagventil 68, und der Druck in der Rückwurfkammer 65 neigt dazu, sich aufzubauen. Überschreitet dieser Druck einen vorbestimmten Wert, der dem Druck in der Druckkammer 76 des Ventils 72 entspricht, so wird der Ventilkörper 75 von seinem Sitz wegbewegt, so daß die Luft durch die Bohrung 73 und die Auslaßöffnung 74 entweichen kann. Der Druck, der schließlich in der Rückwurfkammer 65 besteht, wenn sich der Kompressorkolben 52 dem Ende seiner L..iksbewegung nähert, hängt somit von dem Druck in der Kammer 76 ab, der seinerseits wiederum von der Betätigung des Sensors 84 abhängt.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der gesamten in F i 2.1 gezeigten Vorrichtung beschrieben werden. Wird nach dem Kompressionshub des Arbeitskolbens 17 das Brennstoffgemisch innerhalb der Verbrennungskammer 26 gezündet, so wird der Kolben nach rechts gestoßen, wodurch auch der Kompressorkolben 52 nach rechts bewegt wird und die durch die Einlaßbohrung 58 angesaugte Luft komprimiert. Dies führt nicht nur dazu, daß verdichtete Luft über die Auslaßbohrung 61 an den Behälter abgegeben wird, sondern auch dazu, daß auf der rechten Seite des Kolbens 52 Energie für die Rückführbewegung nach links gespeichert wird. Während sich der Kolben 52 nach rechts bewegt, dehnt sich gleichzeitig die Luft in der Rückwurfkammer 65 aus.

wobei eine geringe Menge Luft über das Rückschlagventil 68 in die Kammer 65 gesaugt wird. Die Rückführenergie, die in der rechts von dem Kolben 72 verdichteten Luft gespeichert ist, bewirkt nun, daß der Kompressorkolben 52 nach links bewegt wird, wobei auch der Arbeitskolben 17 nach links bewegt wird und die Kompression der Luft bewirkt, die über die Einlaßöffnungen 31 in die Kammer 26 gelangt ist. Der Weg, um den sich der Kolben 17 nach links bewegt, hängt von der zur Verfügung stehenden Menge der Rückführenergie ab. Diese Energiemenge bestimmt sich nicht nur nach der Menge und dem Druck der Luft rechts von dem Kolben 52. wenn sich dieser an seinem normalen Umkehrpunkt in der Nähe des Zylinderkopfes 56 befindet, sondern auch nach dem Druck in der negativen Rückwurfkammcr 65. Der Luftdruck rechts von dem Kolben 52 ist normalerweise infolge des Bedarfs an konstantem Luftdruck in dem an die Auslaßbohrung 61 angeschlossenen Behälter verhältnismäßig konstant. Mit anderen Worten hängt der für den Kompressionshub des Arbeitskolbens 17 verfügbare Druck von der gesamten zur Verfugung stehenden Rückführenergie ab, wobei diese ein Ergebnis der einander entgegengerichteten Energiefaktoren auf beiden Seiten des Kompressorkolbens 52 ist. Da die Energie rechts von dem Kolben 52 normalerweise verhältnismäßig konstant ist, und nicht unabhängig von der Last und dem Kompressor-Abgabedruck eingestellt werden kann, erfolgt die Druckeinstellung in der Rückwurfkammcr 65. Dies geschieht dadurch, daß der Druck in der auf den Ventilkörper 75 wirkenden Druckkammer 7e eingestellt wird.

Nimmt der Sensor 84 eine mit einem Klopfeinsatz der Maschine verbundene Vibration wahr, so erzeugt er ein Ausgangssigna!, das die Elektromagnetspule 82 erregt und dadurch das Ventil 80 öffnet, so daß Druck aus der Quelle 79 in die Druckkammer 76 gelangt. Dies führt zu cuiciVi Druckanstieg in der Kammer 76, der den Vcnii'-körper 75 fester gegen seinen Sitz drückt, so daß in der Kammer 65 ein größerer Druck erforderlich ist, um den Ventilkörper 75 abzuheben. Andererseits wird dadurch verhindert, daß sich der Kompressorkolben 52 und der Druckkolben 17 ebenso weit wie vorher nach links bewegen. Auf diese Art und Weise wird also das Kompressionsverhiiltnis reduziert, um die Klopfneigung der Maschine zu vermindern. Das magnetbetätigte Ventil 80 öffnet in jedem Zyklus erneut, bis der Sensor festgestellt hat, daß die Klopfneigung verschwunden ist. Danach bleibt das Ventil 80 geschlossen, und der in der Kammer 76 aufgebaute Druck beginnt, sich infolge des Entweichens von Steuerfluidum durch die Entlüftungsöffnung 81 abzubauen. Dadurch wird der Druck in der Kammer 76, die Vorspannung auf den Ventilkörper 75 und schließlich der Druck in der Rückwurfkammer 65 vermindert. Andererseits wird es dadurch möglich, daß sich die Kolben 52 und 17 wieder weiter nach links bewegen, wodurch das Kompressionsverhältnis wieder zunimmt Diese Wirkung setzt sich fort, bis der Sensor 84 erneut einen Klopfeinsatz wahrnimmt, woraufhin sich der Vorgang wiederholt. Man sieht also, daß der Druck in der negativen Rückwurfkammer 65 kontinuierlich derart auf- und abgeregelt wird, daß cas Kompressionsverhältnis innerhalb des Arbeitszylinders 12 stets nahe, jedoch etwas unterhalb desjenigen Wertes liegt, bei dem ein anhaltendes Klopfen auftritt. Da es. wie oben erwähnt, erwünscht ist, die Maschine so nahe wie möglich an der Klopfbedingung zu betreiben, wird somit bei einem gegebenen Satz von Arbeitsbedingungen maximaler Maschinenleistungsgrad erzielt.

In Fig. 2 ist eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, in der anstelle der elektrischen Mittel mechanische Mittel verwendet werden, um einen Klopfeinsatz-Zustand wahrzunehmen und die Vorspannung auf das Auslaßventil der Rückwurfkammer zu steuern, und wobei die Vorspannung auf dieses Ventil durch eine Einrichtung gesteuert wird, die auf die Lage eines von dem Arbeitskolben angetriebenen bewegbaren Elements anspricht.

Außer der Einbringung zur Wahrnehmung des Klopfeinsatzes ist der Arbeitsteil 12 dem nach Fig. 1 gleich. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, und eine Wiederholung der Beschreibung dieses Teils dürfte sich mit Ausnahme des weiter unten beschriebenen Klopf-Fühlelements erübrigen. Ähnlich ist auch der Ausgleichs- und Synchronisationsteil 13 der gleiche wie in F i g. 1 und ist deshalb mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

wie bei der AusführuiigMuiiVi nach Fig. 1 hat der Energieverbraucner 14 die Form eines Luftkompressors mit einem Kompressorkolben 52, der in einem einen Kompressorzylinder 51 bildenden Zylindergehäuse 50 bewegbar ist. Vorgesehen sind wiederum Einlaß- und Auslaß-Rückschlagventile 59 und 62, die auf die gleiche Art und Weise funktionieren wie die Ventile 59 und 62 nach Fig. 1.

Ein Unterschied zwischen der Maschine nach F i g. 2 und der nach F i g. 1 besteht darin, daß zusätzlich zu der negativen Rückwurfkammer 65 eine positive Rückwurfkammer 102 vorgesehen ist. Diese Kammer 102 ist durch Verlängerung des Gehäuses 50 gebildet, das somit etwas etwas langer ist als bei der Maschine nach Fig. 1. Von der Trennwand 66 nach rechts verläuft ein inneres zylindrisches Gehäuse 103, das einen Zylinder 105 mit einem darin bewegbaren Rückwurfkolben 106 bildet. Der Raum innerhalb des Zylinders 105 links von dem Kolben J06 kann in freier Verbindung mit dem Raum innerhalb des Ausgleichs- und Synchronisationsteils 13 oder mit einem sonstigen auf atmosphärischem Druck liegenden Raum stehen, so daß links von dem Kolben 106 kein wesentlicher Druck besteht. Das Gehäuse 103 ist mit einer geeigneten (nicht gezeigten) Einrichtung versehen, die an der rechten Seite des Kolbens 106 Luft einläßt, wenn sich der Kolben nach links bewegt, die aber ein Entweichen dieser Luft verhindert, wenn sich der Kolben nach rechts bewegt. Daraus ergibt sich folgendes: Wird der Kolben 106, der von dem Arbeitskolben 17 angetrieben wird, nach Zündung des Verbrennungsgemisches nach rechts bewegt, so kann

so sich rechts von dem Kolben 106 ein sehr hoher Druck aufhauen. Dieser Druck unterstützt den Druck rechts von dem Kompressorkolben 52 beim Kompressionshub des Arbeitskolbens 17. Mit anderen Worten wird die rechts von dem Rückwurfkolben 106 gespeicherte Energie ein Teil der gesamten Rückführenergie, die für den Kompressionshub des Arbeitskolbens zur Verfugung steht.

Falls gewünscht könnte auch der Druck in der positiven Rückwurfkammer, der rechts von dem Rückwurfkolben 106 existiert, zur Vermeidung des Klopfens gesteuert werden. In einem derartigen Fall würde der Druck in dieser Kammer reduziert, sooft ein Klopfeinsatz auftritt. Für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist jedoch wiederum angenommen, daß die Steuerung der Rückführenergie über eine Steuerung des Drucks in der negativen Rückführkammer 65 wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 erfolgt. Wiederum ist ein Einlaß-Rückschlagventil 68 vorgesehen, über das Luft ange-

saugt werden kann, wenn der Kompressorkolben 52 seinen Kompressionshub ausführt, d. h. sich nach rechts bewegt. Die Luft wird dabei über ein Strömungsbegrenzungs-Element 69 angesaugt. In ähnlicher Weise ist ein vorgespanntes Auslaßventil 110 vorgesehen, das einen Teil dieser Luft entweichen läßt. Dieses Auslaßventil 110 entspricht in seiner Funktion generell dem Ventil 72 nach Fig. 1. Das Ventil ist in einer Öffnung 111 in der Verlängerung des Zylindergehäuses 50 eingesetzt und weist eine Bohrung 112 auf, die mit dem Inneren der Rückwurfkammer 65 in Verbindung steht. Die Bohrung 112 kann unter Steuerung eines Ventilkörpers 113 mit einer Entlüftungsöffnung 117 in Verbindung treten. Der Ventilkörper 113 ist mit einer Stange 114 versehen, die an einer einen Teil eines Druckmotors 116 bildenden Membran 115 befestigt ist. Der Druckmotor 116 wird von zwei Gehäuseelementen 124 und 118 gebildet, zwischen deren Flanschen die Membran 115 eingespannt ist. Die Kammer zwischen der Membran 115 und dem oberen Gehäuseelement 124 ist gegen die Atmosphäre offen, da eine Bohrung 119 durch das Gehäuseelement

124 vorgesehen ist. Die andere Kammer zwischen dem unteren Gehäuseelement 118 und der Membran 115 bildet die Druckkammer des Druckmotors 116. Dieser Kammer wird das Fluid über eine in die Kammer führende Leitung 120 zugeführt. Unterhalb der Membran 115 ist ferner eine begrenzte Entlüftung 121 mit der Kammer verbunden. Zwischen die Innenwand des Gehäuseelements 118 und die Membran 115 ist eine Feder

125 oder ein ähnliches geeignetes Vorspannelement eingesetzt, das den Ventilkörper 113 gegen seinen Sitz drückt. Die Vorspannwirkung der Feder 125 wird durch den Fluidumdruck in der Kammer unterhalb der Membran 115 verstärkt, so daß die gesamte auf den Ventilkörper 113 ausgeübte Vorspannung gleich ist der Summe der von der Feder 125 ausgeübten Kraft und dem

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lich wie der Druck in der Druckkammer 76 des Ventils 72 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erhalten wird, wird der Druck in der Kammer unterhalb der Membran 115 dadurch geregelt, daß die Luft in diese Druckkammer über die Leitung 120 selektiv mit größerem Durchsatz eingelassen wird, als sie durch die begrenzte Entlüftung 121 entweichen kann. Die Leitung 120 ist über eine weitere Leitung 122 an die Auslaßöffnung eines Steuerventils 126 angeschlossen, dessen Einlaß mit einer Druckluftquelle 127 verbunden ist. Bei der Druckluftquelle kann es sich ähnlich wie bei der Quelle 79 nach F i g. 1 um den Druckluftbehälter handeln, der von dem Kompressor 14 gespeist wird. Das Steuerventil 126 umfaßt einen Ventilkörper 128, der von einer Feder 130 gegen einen Ventilsitz 129 vorgespannt wird. Der Ventilkörper 128 wird von der Feder 130 normalerweise in Eingriff mit seinem Sitz 129 gehalten, d. h. das Steuerventil 126 ist normalerweise geschlossen.

Mit dem Ventilkörper 128 ist eine Ventilstange 131 verbunden, deren äußeres Ende an einem über einen Lagerzapfen 134 schwenkbar am Zylinderkopf 24 befestigten Schwenkarm 133 angreift. Das andere Ende des Schwenkarmes 133 wird von einer Stellschraube 135 durchsetzt. Das innere Ende dieser Stellschraube 135 liegt an einem an dem Zylinderkopf 24 vorgesehenen Anschlag 136 an. Die Stellschraube 135 ist normalerweise so eingestellt, daß der Ventilkörper 128 durch die Vorspannfcder 130 in geschlossenem Zustand gehalten wird, wenn die Maschine normal arbeitet Tr.tt jedoch ein Klopfeinsatz auf, so vibriert der Anschlag 136 und bewirkt, daß der Arm 133 gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt wird, d.'s Steuerventil 126 öffnet und dadurch Luft aus der Druckluftquelle 127 über die Leitungen 122 und 120 an die Unterseite der Membran 115 gelangt. Infolgedessen nimmt der Druck in der Kammer unterhalb der Membran 115 zu und spannt den Ventilkörper 113 fester gegen seinen Sitz.

Die Arbeitsweise der soweit beschriebenen Vorrichtung nach F i g. 2 ist sehr ähnlich wie bei der nach Fig. 1. Sooft der Anschlag 136 einen Klopfeinsatz wahrnimmt, öffnet sich das Steuerventil 126, der Druck unter der Membran 115 steigt, und die Vorspannung des Ventilkörpers 113 nimmt zu. Ebenso wie bei dem Steuerventil 72 bewirk! dies ein Ansteigen des Drucks in der negativen Rückwurfkammer 65, so daß die Bewegung des Arbeitskolbens 17 gegen den Zylinderkopf während dos Kompressionshubes abnimmt. Dies wiederum vermin dert das Kompressionsverhältnis und verringert die Klopfneigung der Maschine. Andererseits führt dies zu einem erneuten Schließen des Steuerventils i26, so daß die Fluidströmung durch die Leitung 120 an die Unterseite der Membran 115 unterbrochen und die Vorspannung auf den Ventilkörper 113 verringert wird. Dies hat wiederum zur Folge, daß der Kolben 17 sich näher bis an den Zylinderkopf 24 bewegt und dadurch das Kornpressionsverhältnis wieder steigt. Diese Wirkung setzt sich fort, bis wiederum ein Klopfeinsatz wahrgenommen wird, woraufhin sich der Vorgang erneut wiederholt. Wie bei F i g. 1 wird also das Kompressionsverhältnis kontinuierlich eingestellt, um die Arbeitsweise der Maschine auf einem Punkt nahe der Kopfbedingung aufrechtzuerhalten.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine ziistäzliche Einrichtung zur Änderung der Rückführenergie und damit des Kompressionsverhältnisses vorgesehen. Bei einer Freikolbenmaschine, die ja keine Kurbelwelle aufweist, ist es unter gewissen Bedingungen möglich, daß das bewegbare Element des Energie Verbrauchers durch den Arbeitskolben zu weit bewegt wird, wenn die Verbrennung auftritt. Bei einer Maschine mit Kurbelwelle ist die Bewegung des angetriebenen Elements durch die Kurbelwelle begrenzt. Bei jiner Freikolbenmaschine ist dies jedoch nicht der Fall. Die vorliegende Erfindung sieht Mittel vor, um das Kompressionsverhältnis der Maschine zu ändern, wenn die Bcwegung des bewegbaren Elementes des Energieverbrauchers zu groß wird. Handelt es sich bei dem Energieverbraucher beispielsweise um einen Kompressor, dessen Kompressorkolben in einem Zylinder bwegbar ist, so stellt die vorliegende Apparatur fest, wann sich der Kompressorkolben dem Zylinderkopf des Kompressorzylinders zu stark nähert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Apparatur ist ein Steuerventil 140 vorgesehen, das die Fluidströmung aus einer an eine Druckluftquelle angeschlossenen Leitung 141 durch eine Leitung 123 zu einer an die Kammer unter der Membran 115 führenden Leitung 120 steuert. Das Steuerventil 140 umfaßt einen Ventilkörper 142, der durch eine Feder 143 normalerweise in Eingriff mit einem Ventilsitz 144 vorgespannt ist, wobei er die FIu;-dumströmung von der Druckluftquelle durch die Leitung 141 unterbricht. An dem Ventilkörper 142 iu eine das Gehäuse des Steuerventils 140 durchsetzende Ventilstange 145 befestigt, deren inneres Ende in der Bahn des Kompressorkolbens 52 liegt und von der Stirnfläche des Kornpressorkolbens beaufschlagt wird, wenn sich dieser dem Zylinderkopf 56 zu weit nähen. Tritt dieser Fall auf, so drückt der Kolbenkopf die Ventils'ange 145 und den Ventilkörper 142 nach rechts und bewegt somit

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den Ventilkörper 142 von seinem Sitz 144 weg, so daß Luft aus der Luftquelle über die Leitung 141 sowie über lic Leitungen 123 und 120 in das Innere der Druckkammer unter der Membran 115 gelangen kann. Dies führt zu einem Anstieg in der Vorspannung des Auslaß-Ventilkörpers 113, dadurch zu einem Druckanstieg in der Rückwurfkammer 65 und somit zu einem Anstieg des Kompressionsverhältnisses, wie dies oben in Verbindung mit der Wirkung des Vibrationssensors beschrieben worden ist. Selbst wenn also der den Schwenkarm 133 und den Anschlag 136 umfassende Vibrationssensor keinen Klopfeinsatz wahrnimmt, bewirkt die das Steuerventil 140 umfassende Apparatur dennoch eine Verminderung des Kompressionsverhältnisses dann, wenn sich der Kolben 52 dem Zylinderkopf 56 zu stark nähert. Wird das Kompressionsverhältnis vermindert, so nimmt die bei der Zündung auf den Kolben 17 ausgeübte Kraft ab. und der Kolben 17 bewegt den Kompressorkolben 52 nicht so wei' wie sonst. Die Vorrichtung nach F i g. 2 bewirkt also, iaß die Rückführenergie für den Kolben entweder dann geändert wird, wenn ein Klopfeinsatz auftriit, oder dann, wenn das bewegbare Element des Energieverbrauchers zu weit bewegt wird. Außerdem übt die Anordnung nach F i g. 2 ihre Steuerfunktion ohne Benützung elektrischer Energie aus, so daß sich die elektrischen Verbindungen mit einer externen elektrischen Energiequelle erübrigen.

In Fig. 3 ist eine etwas abgeänderte Ausführungsform der Maschine nach F i g. 2 gezeigt. In F i g. 2 führt die Leitung 141 zu einer externen Druckluftquelle. Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist diese Verbindung zu einer externen Druckluftquelle weggelassen worden, und statt dessen wird die Druckluft rechts von dem Kolben 52 für die Steuerwirkung benützt. Das Steuerventil 150 dieser Anordnung ist dem Steuerventil nach Fig. 2 mit der Ausnahme ähnlich, daß anstelle einer verbindung über die Leitung Ϊ41 an eine Druckiuftquel-Ic der Ventilsitz 144 über eine Bohrung 151 mit dem Inneren der Kammer zwischen dem Kolben 52 und dem Zylinderkopf 56 in Verbindung steht. Wird nu^ Stange 145 des Ventilkörpers 142 von der Stirni..._iie des Kompressorkolbens 52 mitgenommen und der Ventilkörper 142 von seinem Ventilsitz 144 abgehoben, so gelangt das Fluid direkt aus der Kammer rechts von dem Kompressorkolben 52 über die Leitung 123 in den Raum unter der Membran 115.

Die Anordnung nach Fig. 3 ist zwar insofern einfacher, als ein Anschluß an eine externe Druckluftquelle vermieden wird. Sie ist jedoch nur dort praktisch anwendbar, wo es sich bei dem zu komprimierenden Fluid um ein harmloses Fluid, etwa Luft, handelt, das sich ohne weiteres als Steuerfluid verwenden läßt Handelt es sich bei dem zu komprimierenden Fluid jedoch um ein gefährliches Gas, so ist es zweckmäßig, die Anordnung nach F i g. 2 zu verwenden, bei der ein relativ harmloses Fluid aus einer getrennten Quelle als Steuerfluid verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Freikolbenbrennkraftmaschine, in deren Arbeitszylinder ein Arbeitskolben hin- und herbewegbar ist, der einen Verbraucher antreibt, mit einer Einrichtung zur Zuführung von Brennstoff in den Arbeitszylinder, mit einer mit dem Arbeitskolben verbundenen, einen weiteren Kolben aufweisenden Rückführeinrichtung, die dem Arbeitskolben im Anschluß an den arbeitswirksamen Expansionshub die Rückführenergie zur Durchführung der Kompression zuführt, und mit einer Steuereinrichtung zur Veränderung der Rückführenergie für den Arbeitskolben, gekennzeichnet durch einen Sensor (84), der auf einem Klopfen unmittelbar vorausgehende Vibrationen in der Brennkraftmaschine anspricht, und eine vom Signal des Sensors (84) gesteuerte Ventileinrichtung (72, 80), über die die von der Rückführeinrichtung (52, 65) aufgebrachte Rückführenergie zur Veränderung des K.ornpressionsverhältnisses im Arbeitszylinder (16) beeinflußbar ist.

2. Freikolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an einer Seite des weiteren Kolbens (52) gebildeter Raum (65) über ein zu diesem hin öffnendes Rückschlagventil (68) füllbar ist und daß die Ventileinrichtung (72,80) ein vom Signal des Sensors (84) angesteuertes Ventil (80) zur Freigabe eines Steuerfluids und ein vom Steuerfluid in Schließrichtung betätigbares Auslaßventil (72,110) für den Raum (65) umfaßt.

3. Freikolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Druckkammer aufweisender Fhidmotor (116) die Vorspannung auf das Auslaßveniil (110) ändert, und daß der Sensor (84) den Druck in der Druckkammer des Fluidmotors (116) ändert (Fig. 2).

4. Freikolbenbrennkraftmpschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (140,150), die anspricht, wenn sich ein von dem Arbeitskolben (17) angetriebenes Element (52) relativ zu einem stationären Element (56) zu we» bewegt, und bewirkt, daß eine Steuereinrichtung (116) das Kompressionsverhältnis im Arbeitszylinder (16) und dadurch die Ausgangsleistung derart vermindert, daß der Weg verkürzt wird, um den das bewegbare Element (52) vom Arbeitskolben (17) relativ zu dem stationären Element (56) bewegt wird (Fig. 2,3).

5. Freikolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übermäßige Bewegung des bewegbaren Elements (52) durch ein Steuerglied (145) ermittelt wird, das sich in der Bahn des bewegbaren Elements (52) befindet und von diesem beaufschlagt wird, wenn sich das bewegbare Element (52) relativ zu dem stationären Element (56) zu weit bewegt (F i g. 2,3).