DE2456957A1

DE2456957A1 - Freikolbenkraftmaschine

Info

Publication number: DE2456957A1
Application number: DE19742456957
Authority: DE
Inventors: Jozsef Dipl Ing Toth
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1974-12-02
Publication date: 1976-06-10

Description

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D 5 - 92

ENERGIAGAZDÄLKODÄSI ΙΝΤΕΖΕΤ 1251 Budapest, Bern rakpart ," Ungarn

FEEIKOLBENKEAPTfIASCHINE

Die Erf indung bezieht sich auf eine E'reikolbenkraftmaschine mit Triebwelle und mindestens zwei Arbeite zylindern, die einander gegenüber und zur Triebwelle senkrecht angeordnet und mit je einem Kolben ausgerüstet sind.

Kolbenkraftmaschinen mit einander gegenüberliegenden Zylindern sind bereits bekannt. Ihnen haftet aber der Nachteil an, daß die Umsetzung der alternativen Bewegung der Kolben nur umständlich durch Kurbelwellen in Drehbewegungen

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der Triebwelle umgesetzt werden können, wodurch auch die Hublänge festgelegt wird. Hierzu kommt, daß die Kolben starr mit ihrer Kolbenstange verbunden sind, wodurch dynamische Kräfte auf broten, welche die einwandfreie Betriebsweise der Kraftmaschine beeinträchtigen.

Die Erfindung bezweckt die Behebung dieser Nachteile, wobei die Aufgabe besteht, die Bewegungen des aus Kolbenstange und Kolben bestehenden Schwingungssystems elastisch zu gestalten und die alternativen Bewegungen der Kolben ohne Kurbelwelle bei veränderlicher Hublänge auf die Triebwelle zu übertragen. Somit besteht die Aufgabe einerseits Inder Schaffung einer nachgiebigen Verbindung zwischen Kolbenstange und Kolben und anderseits einer unmittelbaren und dabei regelbaren Verbindung zwischen Kolbenstange und Triebwelle.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Kolben durch ihre Kolbenstange nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei zwischen Kolbenstange und Triebwelle ein ^eistungsgetriebe mit einer .Freilaufvorrichtung zum Umsetzen der alternativen Bewegungen der Kolben in eine gleichgerichtete Umdrehung der Triebwelle vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird eine Fre!kolbenkraftmaschine mit vorteilhaften Betriebsbedingungen erreicht und einfachen Aufbau gewonnen, die durch verhältnismäßig mäßige Entstehungskosten und hohe Betriebssicherheit ausgezeichnet ist.

Als Freilaufvorrichtungen können Klemmbüchsen mit darin laufenden Klemmrollen verwendet werden, wie dies z. B. bei Fahhrädern weit bekannt ist. Es ist ferner vorteilhaft, die KraftstoffZuleitungen unmittelbar an den Arbeitszylindern anzubringen, weil dann sie einfach durch je ein Gelenkgestänge mit einer Rolle betätigt werden können, die auf einer Kurvenbahn an der Kolbenstange laufen. Es ist zweckmäßig, daß ^eistungsgetriebe aus biegsamen Bändern aufzubauen, die an ihren einander entgegengesetzten Enden

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mit der KoITdenntange verbunden, und dabei um die Triebwelle gebunden, sind. ' Ein Leistunfsagetriebe dieser Art zeichnet sich nämlich, andern gegenüber durch den Wegfall von in ■unerwünschten Richtungen auftretenden Kräften, wie sie z. B. bei Zahnstangentrieben auftreten können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, welche verschiedene Ausführungsbeispiele der Freikolbenkraftmaschine-gemäß der Erfindung darstellen,

Fig. 1 ist dabei ein Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels entlang der Linie I - I der Pig. 2.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie II - II der Fig. 1.

Fig. 3 stellt einen Längsschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels entlang der Linie III - III der Fig. 4 dar. . -

Fig, 4 ist ein Längsschnitt entlang der Linie IV j- IY der Fig. J.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine.

Fig. 6 stellt schematisch das Arbeitsprinzip einer beispielsweisen Einzelheit dar.

Fig. 7 ist schließlich ein Längsschnitt ebenfalls einer weiteren beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine.

G-Ieiche Bezugszeichen in den Zeichnungen weisen auf ähnliche Einzelheiten hin.

In der Zeichnung stellen Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Yiertaktinnenverbrennungsfreikolbenkraf tmaschine dar. Bezugsnummern 20, 22, 24· und 26 bezeichnen Arbeitszylinder, welche paarweise miteinander verbunden sind und eine selbsttragende Einheit bilden, wie dies in der Fig. durch. Yerbindungsschrauben 28 und 30 angedeutet ist. In dieser selbsttragenden Einheit ist eine Triebwelle 32 ge-

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lagert, deren axiale.; Mil; ü el linie durch die Bezugsnummer 34 bezeichnet ist. Die axialen Mittellinien 36 bzw. 38 der Arbeitszylinder 20, 22 bzw. 24, 26 sind von der axialen Mittellinie 34 der Triebwelle 32 mit Abstand angeordnet und stehen senkrecht ?.,v, derselben.

In den Arbeitszylinder!! 20, 22, 24, 26 sind jeweils Arbeit skolben 40, 42, 44, 46 vorgesehen, welche in ihren Zylindern alternative Bewegungen ausführen und mit diesen Arbeitsräume 48, 50 bzw. 52, 54 einschließen. Die Arbeitskolben 40, 42, 44, 46 sind mit der Triebwelle 32 durch ein erstes Leistungsgetriebe verbunden, das beim dargestellten Ausfuhrungsbeispiel aus einer Treibzahnstange mit zugeordnetem Zahnrad besteht. Namentlich ist an der Triebwelle 32 ein. Außenring, in der Form eines Zahnrades 56 drehbar gelagert, das mit der Verzahnung 58a einer Arbeitskolbenstange 58 eingreift. Die Arbeitskolbenstan.ee 58 verbindet die Arbeitskolben.40 und 42 über nachgiebige Hülsen 60 bzw,. 62. Ein ähnlicher Zahnstangentrieb ist für die Leistungsübergabe zwischen den Kolben 44 und 46 und der Tiiebwelle 32 vorgesehen.

Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt mittels Kraftstoffeinspritzpumpen, deren zwei in den Fig. 1 und 2 mit den Bezugsnummern 64 bzw. 66 bezeichnet sind. Die Kraftstoffeinspritzpumpen 64 und 66, wie auch die übrigen Kraftstoffeinspritzpumpen sind mit Betätigungsvorrichtungen verbunden, die in Abhängigkeit von den alternativen Bewegungen der Kolben 40 bis 46 in ihren zugeordneten Arbeitszylindern 20 bis 26 arbeiten. Wie aus Pig. 1 hervorgeht, besteht die Betätigungsvorrichtung der Kraftstoffeinspritzpumpen 64 und 66 aus paarweise angeordneten zweiarmigen Hebeln 68 bzw. 70, deren einer Arm 68a bzw. 70a sich an die Kraftstoffeinspritzpumpe 64 bzw. 66 anschließt, während die anderen Arme 68b bzw. 70b mit Hollen 72 „bzw. 7^ ausgerüstet sind, die an einer Kurvenbahn 58b an der Kolbenstange 58 laufen.

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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verbrennungsluft durch Kompressoren geliefert, deren einer in ^¹Ig. 1 mit Bezugsnummer 76 bezeichnet ist. Der Kompressor 76 besteht aus paarweise einander gegenüber angeordneten Kompressorzylindern 78 und 80, die entlang einer Linie 82 angeordnet sind, wobei die Linie 82 zur axialen Mittellinie 36 der Arbeitszylinder 20 und 22 parallel liegt. In den Kompressorzylindern 78 bzw. 80 sind Kompressorkolben 84 bzw, 86 angeordnet, die in ihren Zylindern alternative Bewegungen ausführen und mit ihnen Kompressionsräume 88 bzw. 90 einschließen. Die Kompressorkolben 84 und 86 sind miteinander durch eine Kompressorkolbenstange 92 nachgiebig verbunden. Die nachgiebige Verbindung zwischen Kompressorkolbänstange 92 und Kompressorkolben 84 bzw. 86 ist durch embranen 94 bzw. 96 erreicht. Die Kompressorkolbenstange 92 greift mit dem Leistungsgetriebe, und zwar beim dargestellten Ausführungsbeispiel gegenüber der Arbeitskolbenstange 58 mit dem verzahnten Außenring 56 ein, so daß die Arbeitskolbenstange 58 und die Kompressorkolbenstange 92 einander entgegengerichtete geradlinige Bewegungen ausführen. Bezugsnummer 98 bzw. 100 bezeichnen Rohrstutzen, welche durch Ventile 102 bzw. 104 selbsttägig gesteuert werden.

Eine ähnliche Kompressoreinrichtung. ist für die Versorgung mit Luft der Arbeitszylinder 24 und 26 bzw. der Arbeitsräume 52 bzw. 54 vorgesehen.

Die Gleichrichtervorrichtung, durch welche die alternativen Schwenkbewegungen des äußeren Ringes 56 in eine kontinuierliche Drehbewegung der Triebwelle 32 umgesetzt werden, besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Freilaufvorrichtung mit Klemmbüchse und aus in dieser laufenden Freiklemmrollen. Der als Klemmhülse arbeitende äußere Ring 56 ist mit an sich bekannten inneren Kurvenfläche 56a ausgebildet· Der"innere Kern der Freilauf vorrichtung ist durch die äußere zylindrische Fläche 32a

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der Triebwelle 32 gebildet.. Zwischen den Kurvenflächen 56a und der Außenfläche 32a sind Klemmrollen 106 vorgesehen, durch welche das Einrad 56 im Verhältnis zur Triebwelle 32 festgeklemmt wird, wenn die Rollen sich zwischen einander gegenüber liegenden Flächen 56a, 32a, verkeilen. Die Triebwelle 32 wird dagegen freigeben, wann die Rollen 106 in einem entsprechend geräumigen Teil des keilförmigen Raumes zwischen den Flächen 32a und 56a zu liegen kommen.

Eine ähnliche Gleichrichtervorrichtung ist im Leistungsgetriebe ; zwischen den Kolben 44 und 46 bzw. der Triebwelle 32 vorgesehen.

Um gegenseitige alternative Bewegungen der Arbeitskolben 40, 42 und 4Λ, 46 oder sinngemäß der Arbeitskolbenstange 58 und der die Arbeitskolben 44 und 46 miteinander verbindenden Arbeitskolbenstange 108 zu bewirken, ist zwisohen ihnen ein zweites Leistungsgetriebe vorgesehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das zweite Leistungsgetriebe ebenfalls aus einem Zahnstangentrieb, dessen Zahnstangen an den Arbeitskolbenstangen 92 und 108 ausgebildet und mit Bezugsnummern 58c bzw. 108c bezeichnet sind. Diese Zahnstangen greifen an einander entgegengesetzten Seiten einer verzahnten Trommel 110 ein, dessen Achse senkrecht zur Achse der Triebwelle 32 steht.

Bezugsnummern 114 bzw. 116 (Fig. 1) bezeichnen Rohrstutzen, durch welche hindurch Verbrennungsgase aus den A_rbeitszylindern 20 bzw. 22 entweichen können. Bezugsnummern 118 bzw. 120 dagegen weisen auf Vefbindungsleitungen zwischen, den Kompressbnsräumen 88 bzw. 90 und den Arbeitszylindern 20 bzw. 22 hin»

Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine arbeitet wie folgt:

■Alle Arbeitszylinder führen einen ZweitaktinnenverbrennungsZyklus aus. Dies bedeutet, daß der Kraftstoff, der z» B_# über die Kraftstoffeinspritzpumpe 64 in den Arbeitsraum 48 des Zylinders 20 eingespritzt wird, sich mit Luft

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vermischt, die während des vorherigen Hubes geliefert worden ist.. Die Mischung zündet und wird verbrannt, während der Arbeitskolben 40 sich in Fig. 1 nach rechts bewegt.

Durch die Reohtsbewegung des Arbeitskolbens 40 in Fig. 1 wird die nachgiebige Hülse 60 zusammengepreßt, wonach eine Verschiebung der Arbeitskolbenstange 58 ebenfalls nach rechts erfolgt. Diese nach rechts gerichtete geradlinige Bewegung führt eine Umdrehung des Zahnrades im Uhrzeigersinn herbei, die ihrerseits eine Verkeilung der Rollen 106 zwischen den Kurvenbahnen 56a und der äußeren zylindrischen Außenfläche 32a mit sich bringt, so daß auch die Triebwelle 32 in Fig. 1 im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt wird.

Eine Umdrehung des Zahnrades 56 im Uhrzeigersinn verursacht eine geradlinige Bewegung der Kompressorkolbenstange 92 in Fig. 1 nach links, so daß der Kompressorkolben 84- sich ebenfalls in der Richtung nach links verschieben wird. Eine derartige Verschiebung hat eine Kompression im Kompressionsraum 88 zur Folge. Durch den zunehmenden Druck der Luft wird das Ventil 102 geschlossen, wobei die Verbindungsleitung 118 bei zunehmendem Druck mit komprimierter Imft angefüllt wird.

Ferner wird bei der Verschiebung des Arbeitskoibens 40 nach rechts zunächst der Rohrstutzen 114 freigelegt, so daß Verbrennungsgase aus dem Arbeitsraum 48 des Arbeitszylinders 20 entweichen körinen. Bei einer weiter nach rechts verschobenen ^Lage des Arb'eitskolbens 40 wird auch die öffnung der Verbindungsleitung 118 freigelegt, so daß in an sich bekannter Weise komprimierte Verbrennungsluft dem Arbeitsraum 48 zuströmt. Dies bedeutet, daß neben Anfüllung des Arbeit sraumes 48 mit frischer Verbrennungsluft auch, die zurückbleibenden Verbrennungsgase über den immer mehr freigelegten Stutzeü. 114 ausgetrieben werden*

Während dieses Zyklus erfolgen diesem entgegengesetzte Vorgänge im Arbeitsraum 50 und im Kompressionsraum 90:

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komprimierte Luft im Arbeitsraum 50, die während des vorherigen Hubes geliefert worden ist, wird durch den Arbeitskolben 42 komprimiert, indem dieser sich in Pig. 1 nach rechts bewegt und nacheinander den Stutzen 116 und die Verbindungsleitung 120 schließt. Währenddessen bewegt sich der Kompressorkolben 86 in Pig. 1 nach links und bewirkt einen Unterdruck im Kompressionsraum 90 und in der Verbindungsleitung 120. Durch diesen Unterdruck wird das Ventil 104 gegen seine Rückstellfeder 104a geöffnet, so daß der Kompressionsraum 90 neu mit frischer Verbrennungsluft gefüllt wird. In der äußersten Lage nach rechts der Arbeitskolbenstange 58 greift der zweiarmige Hebel 70 mittels seines Armes 70b ndt der Kuvenbahn 58a des Arbeitskolbens 58 ein, wodurch in an sich bekannter Weise Kraftstoff in die komprimierte Verbrennungsluft im Arbeitsraum 50 eingespritzt wird. Dann bewegt sich die Arbeitskolbenstange 58 in Fig. 1 nach links. Dies bedeutet, daß das Zahnrad 56 jetzt entgegen dem. Uhrzeigersinn gedreht und die Kompressorkolbenstange 92 nach rechts verlegt wird. Infolgedessen geht im Arbeitsraum 48 eine Kompression vor sich, wobei frische Verbrennungsluft aus dem Kompressionsraum 90 über die Verbindungsleitung 120 in den Arbeitsraum 50 des Zylinders 22 eingesaugt wird.

Die in Pig. 1 dem Uhrzeigersinn entgegengesetzte Drehung des Zahnrades 56 bedeutet, daß die Rollen 106 die erweiterten Teile des Zwischenraumes zwischen den Flächen 32a und 56a einnehmen, so daß die Drehung der Triebwelle im Uhrzeigersinn durch die ;jetzt nach links gerichtete Verschiebung der Arbeitskolbenstange 58 nicht gehindert wird.

Bei dieser linksgerichteten Verschiebung der Arbeitskolbenstange 58 erfolgt eine Drehung der Bammel 110 im Uhrzeigersinn und eine geradlinige Verschiebung der Arbeitskolbenstange 108 nach rechts in Fig. 2. Eine Verschiebung der Arbeitskolbenstange 108 nach rechts bedeutet aber dasselbe, was die Verschiebung der Arbeitskolbenstange 58 nach rechts bedeutet hat, nämlich eine Drehung der

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32 im Uhr z ©id;© rs inn und ©ine Übertragung dtr !leistung von der Arbei^ekolbenstange 108 auf dieselbe mittels dfs nicht dargestellten Zahnstangentriebes zwischen Arbeitekolbenstange 108 und Triebwelle 32. Über die verzahnte Trommel 110 wird dabei der Gegentaktlauf und der Leistungsausgleich zwischen den Arbeitskolbenstangen 58 und 108 gesichert. Somit wirkt auf die Triebwelle 32 während eines jeden Hubes ein Drehmoment, so daß sie in S¹Ig. 1 in eine kontinuierliche Drehbewegung im Uhrzeigersinn versetzt wird.

Fällt die Hälfte Anzahl der Zylinder weg, und die beihaltenen Zylinder in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet, so wird die auf diese Weise entstandene Zweitaktinnenverbrenmingskraftmaschine die Triebwelle. 32 in derselben Weise in Drehung versetzen. Dabei wird aber nur bei jedem zweiten Hub ein nützliches Drehmoment auf die Triebwelle 32 übertragen.

Bei den bisher beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschinen waren die alternativen Bewegungen des Kolbens durch .Zahnstangentriebe in alternative Schwenkbewegungen umgesetzt. Derartige Getriebe sind jedoch insofern unzulänglich, daß an den Eingriffeteilen Kräfte auftreten, welche den Eingriff von Zahnstange und Zahnrad aufzuheben trachten. Dazu kommen Kräfte, deren Wirkungslinien senkrecht zur Richtung der geradlinigen Kolbenbewegung liegen. Demzufolge sind Kräfte zugegen_r die keine Arbeit leisten, sondern unerwünschte Verformungen, Verschleiße und Schwingungen hervorrufen,

Kräfte der erwähnten Art können z. B. durch Stützrollen wie z, B. Stützrollen 126 und 128 ausgeglichen werden, welche aber die senkrechten Kräfte zu ~ keiner Butzarbeit ausbeuten können.

Die obenbeschriebene Unzulänglichkeit kann dadurch behoben werden, daß der Zahnstangentrieb durch vorgespannte biegsame Bänder ersetzt wird, die aus einem beliebigen

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geeigneten Material, ζ. B. aus Stahl bestehen können und die Kolben mit den Außenring der Freilaufvorrichtung verbinden, wobei das eine Ende eines jeden Bandes an einem der Kolben und das andere Ende des Bandes am Mantel des Außenringes befestigt ist. Der Bandteil zwischen den befestigten Enden liegt an der Kolbenstange auf und umgibt die zylindrische Fläche des Außenringes, so daß lediglich tangentiale Kräfte entstehen werden. Der Begriff "Band" ist in der gegenwertigen Beschreibung und in den Ansprüchen sowohl im Sinne von einzelnen Bändern, wie auch von Bündeln zu verstehen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine mit einem derartigen Leistungsgetriebe ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt, welche eine erfindungsgemäße Viertaktfreikolbeninnenverbrennungskraftmaschine darstellen. Abgesehen von den Unterschieden, welche durch den Unterschied zwischen einer Zweitaktkraftmaschine und einer Yiertaktkraftmaschine offensichtlich bestehen und für die letztere die Verwendung von Ventilen und deren Be-.tätigungsmitteln erforderlich machen, unterscheidet sich das dargestellte Ausführungsbeispiel vom vorherigen darin, daß die Verschiebungen der Kolbenstangen 58 bzw. 108 mittels biegsame Bänder 130 bzw. 132 auf die Triebwelle 32 übertragen werden, wobei je ein Ende der Bänder an den Kolbenstangen 58 bzw. 108 befestigt ist. Das Band 130 ist an einem seiner Enden an der Arbeitskolbenstange 58 in der Nähe des Arbeitskolbens 40 befestigt. Das andere Ende des Bandes 130 ist durch einen Schuh 134 und eine Schraube 136 am Außenring 56 der Freilaufvorrichtung angeschlossen« Ahnliche Einspannmittel 138 und 140 sind zur Befestigung des einen Endes des Bandes 132 am Außenring 56 und seines anderen Endes in der Fähe des Arbeitskolbens 42 an der Arbeitskolbenstange 58 verwendet. Die Befestigungsmittel der Bänder 130 und 132 an der Arbeitskolbenstange sind durch Bezugsnummern 152 bzw· 144 bezeichnet. Zwischen

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,ihren festgehaltenen Enden liegen die Bänder I30 und 132 an der ebenen Fläche der Arbeit ,^kolbenstange 58 auf, wobei weitere Teile derselben um die zylindrische Flache des Außenringes 56 gelegt sind.

In ähnlicher Weise ist das zweite Leistungsgetriebe zwischen den beiden Arbeitskolbenstangen 58 und 108 ausgebildet (Fig. 4). Das Band 146 verbindet dabei das Ende der Arbeitskolbenstange 58 im Bereich des Arbeitskolbens 40 mit einem Ende der Arbeitskolbenstange 108 im Bereich des Arbeitskolbens 44-. Anderseits verbindet das Band 148 ähnliche Teile der Arbeitskolbenstangen 58 und 108 im Be-reich der Arbeitskolben 42 bzw. 46. Auf diese Weise sind die gleichgerichteten Enden der Arbeitskolbenstangen 58 bzw. 108 paarweise durch die Bänder 146 bzw. i48 .miteinander "verbunden, wobei sie zwischen ihren Enden die zylindrische Fläche der Trommel 110 umschleifen.

Bezugszeichen 150 und 152 bezeichnen ein Einlaßventil bzw. ein Abllußventil des Arbeitszylinders 20, während Bezugsnummern 1.54,- 156 und 158 auf ein Gelenkgestänge .hinweisen, dessen Gelenkglied 158 eine Rolle 72 trägt, die bestimmt ist, an einer Kurvenfläche 58a zu. laufen. Das Gelenkgestänge 154, 156 und 158, sowie die Rolle 72 bilden eine Betätigungsvorrichtung für die Ventile· 150 und 152. Ahnliche Ventile und Gelenkgestänge sind für den Arbeitszylinder 22 am anderen Ende der Freikolbenkretttmaschine und für beide Arbeitszylinder 24 und 26 der Zwillingsmaschine vorgesehen.

Die dargestellte beispielsweise Ausführungsform der erfindungs gemäß en Freikolbenkraftmaschine arbeitet wie folgt:

Wenn im Arbeitsraum 48 des Arbeite Zylinders 20 eine Verbrennung stattfindet, wird der Arbeitskolben 40 in !ig. 3 nach rechts verschoben. Beide Ventile 15° unä- 152 Bind •geschlossen. Zu gleicher Zeit wird der Arbeitskolben 42 in ähnlicher Weise ebenfalls nach rechts verlegt. Das Ab-

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flußventil dee Arbeitr.zylindere 22 ist aber geöffnet, so daß die Verbrennungegaße aus dem Arbeitsraum 50 entweichen können.

Während dieses Vorganges wird, die Arbeitskolbenstange 108 der Zwillingsmaschine in Fig. 4 nach links verlegt. Dann strömt frische Verbrennungsluft über das Einlaßventil des Arbeitszylinders 26 dem Arbeitsraum 54 zu. Gleichzeitig wird die Verbrennungsluft im Arbeitsraum 52 durch den Arbeitskolben 44 komprimiert, da der Kolben 44 bei geschlossenen Ventilen des Arbeitszylinders 24 sich in der Zeichnung nach links verschiebt.

Nachdem die Totpunktlagen der verschiedenen Kolben 40 bis 46 erreicht worden sind, findet im Arbeitsraum 52 Verbrennung und im Arbeitsraum 54 Kompression statt, wobei frische Verbrennungsluft dem Arbeitsraum 50 zuströmt und Verbrennungsgase aus dem Arbeitsraum 48 entweichen. Die verschiedenen Einlaß- und AbfLußventile der verschiedenen Zylinder 20 bis 24 werden dabei in an sich bekannter Weise entsprechend den erwähnten Vorgängen gesteuert.

Die einander entgegengerichteten alternativen Bewegungen der Arbeitskolbenstangen 58 und 108, die paarweise entlang von zueinander parallelen Linien 36 bzw. 38 und in gleichem Abstand von der axialen Mittellinie 34 der Triebwelle 32 liegen, sind durch die Bänder 130, 132 und 146, 148 gewährleistet.. Wenn nämlich der Arbeitskolben 40 in I¹Ig. 3 nach rechts verlegt, wird sich das Band I30 lockern, wobei das Band 132 gespannt wird. Dasselbe trifft auf die Bänder 146 und 148 des zweiten Leistungsgetriebes zu; Während sich das Band 146 lockert, wird das Band 148 durch eine linksgerichtete Verschiebung der Arbeitskolbenstange 108 gespannt, so daß auch das Band 146 gespannt wird. Wie ersichtlich, sind alle Bänder I30, 132 bjsw. 146, 148 des ersten bzw. des zweiten Leistungsgetriebes während der einander entgegengerichteten alternativen Bewegungen der Arbeitskolbenstangen 58 und 108 immer gespannt, während die

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Zwillingsmaschine einen Viertaktverbrennungszyklus ausführt, in welchem die Triebwelle 32 ein in Fig. 3 im Uhrzeigersinn wirkendes kontinuierliches Drehmoment erfährt.

Beim Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine gemäß Fig. 5 ist ersichtlich, wie zwei Arbeitskolben und Arbeitszylindern, die einander gegenüber entlang einer zur axialen Mittellinie einer Triebwelle senkrechten Linie angeordnet sind, für die Gewinnung eines gleichgerichteten kontinuierlichen Treibmomentes benützt werden können» Beim dargestellten Ausführungsbei-, spiel sind zwei Trieb wellen 32a und 32b vorgesehen, deren axiale Mittellinien mit 34a bzw. 34b bezeichnet sind. Die Triebwellen 32a und 32b tragen Zahnräder 182 bzw. 184. Nicht dargestellte Arbeitszylinder sind einander gegenüber entlang einer Linie 186 vorgesehen, die in gleichem Abstand zwischen den axialen Mittellinien 34-a und 34b verläuft und zu denselben senkrecht liegt. In den Arbeits- . zylindern sind Arbeitskolben 4-0 bzw. 42 in der bereits beschriebenen Weise für alternative Bewegungen angeordnet.

In gleichem Abstand von den Triebwellen 32a und 32b ist eine zu diesen parallel liegende Abtriebwelle 188 vorgesehen. Die Abtriebwelle 188 trägt ebenfalls ein Zanrad 19Q> das mit den Zahnrädern 182 bzw. 184 an den Triebwellen 32a bzw. 32b eingreift. Beide Triebwellen 32a und 32b sind durch das bereits beschriebene erste Leistungsgetriebe mit biegsamen Bändern verbunden, wodurch die Abtriebwelle 188 bei den alternativen Bewegungen der Arbeitskolbenstange 58 in gleichgerichtete Umdrehung versetzt werden kann. Wie ersichtlich, sind zu diesem Zweck beide Gleichrichteryorrichtungen im ersten Leistungsgetriebe in der selben Weise anzuordnen» da sie an entgegengesetzten Seiten der Arbeitskolbenstange 58 angeordnet sind*

Wenn somit im Betrieb die Arbeitskolbenstange 58 sich nach rechts bewegt _r wird der Außenring 56a der Frei-

mit Rollen und Klemmhülse für die Trieb-

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welle 52a im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt, während der Außenring 56b der· Freilaufvorrichtung mit Klemmhülse und Rollen für die Triebwelle 32b entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen wird. Folglich werden die Rollen 106a dieser Freilaufvorrichtung die Triebwelle 32a entriegeln, während die Rollen 106b der anderen Freilaufvorrichtung den Außenring 56b im Verhältnis zur Triebwelle 32b verriegeln. Auf diese Weise wird die Triebwelle 32b ebenfalls entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen, wie auch das Zahnrad 184, durch das jedoch das Zahnrad 190 im Uhrzeigersinn gedreht wird_v wie dies durch den Pfeil 192 angedeutet ist.

Verschiebt sich die Arbeitskolbenstange 58 in der anderen Richtung, dann wird der Außenring 56a auf seiner Triebwelle 32a geriegelt, während die vorher geriegelte Triebwelle 32b entriegelt wird. Somit wird die Triebwelle 32a mit ihrem Zahnrad 182 entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen, wodurch die Abtriebwelle 190 ihre Umdrehung im Uhrzeigersinn 192 fortsetzt.

Wie ersichtlich, ist jeder Hub der erfindungsgemäßen Innenverbrennungskolbenskraftmaschine nützlich, wobei jeder Stoß der Arbeitskolben 40 und 42 in nützliches Drehmoment der selben Umdrehungsrichtung bezüglich der Abtriebwelle 188 umgesetzt wird, so daß die letztere ein ununterbrochenes und in der gleichen Richtung wirkendes Drehmoment erhält»

Fig, β zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die mechanische Gleichrichtervorrichtung.des ersten Leistungsgetriebes zwischen den Arbeitskolben 40, 42 und der Triebwelle 32 ebenfalls mit den bereits beschriebenen Bändern I3O und 132 versehen ist, welche um eine Trommel 194 gelegt sind. Anstatt einer Gleichrichtervorrichtung mit Klemmhülse und Rollen sind aber hier die Enden der Bänder I3O und I32 an den (in der Zeichnung) unteren Enden von zwei zweiarmigen Hebeln 196 bzw, 19S befestigt. Die Befestigungssteilen sind mit 200 bzw. 202 bezeichnet. Der zweiarmige Hebel 196 ist an der Arbeitskolbenstange 58 gelagert, wobei

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das Drehgelenk des .Hebels mit Bezugsnummer 204 bezeichnet ist. Der andere zweiarmige Hebel· 198 ist an einer starren Längsstange 208 angelenkt, die einen Bestandteil des sich alternativ bewegenden System von Arbeitskolben 40, 42 und Arbeitskolbenstange 58 bildet. Durch die Stange 208 sind die Arbeitskolben 40 und 42 miteinander starr verbunden. Außerdem ist das obere Ende des zweiarmigen Hebels 196 in ähnlicher Weise an der Stelle 210 befestigt. Das obere Ende des zweiarmigen Hebels 198 bei 212 ist mit der Gelenkstelle 204 des zweiarmigen Hebels 196 mittels einer Spange 214 verbunden.

Die Bänder 1JO und 132 sind an der Trommel 194 mittels eines Klemmringes 216 befestigt, durch den die Enden der Bilder 130 bzw. 132 an den Stellen 218 bzw. 220 am Ring 216 befestigt sind. Der Vorteil der Verwendung eines Klemmringes 216 besteht dafin, daß die zylindrische Mantelfläche der Trommel 1°A von der verschleißenden Wirkung der Bänder 130 und 132 entlastet ist.

Die dargestellte Beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen !^!kolbenkraftmaschine gemäß Fig. 6 arbeitet wie folgt:

Bewegt sich, die Kolbenstange 58 in der Zeichnung nach rechts, so wird zunächst die nachgiebige Hülse 60 infolge der Trägheit der Kolbenstange 92 zusammengedrückt, während die gegenseitige ^Lage der Arbeitskolben 40 und 42 durch die Stange 208 aufrechterhalten wird, so daß sich die nachgiebige Hülse 62 ausdehnt. -Dies bedeutet, daß das Drehgelenk 204, das an der Kolbenstange 58 befestigt ist, der Stelle 210 nacheilt, da diese an der Stange 208 sitzt. Die Folge ist, daß der zweiarmige Hebel 196 eine Schwenkbewegung im Uhrzeigersinn ausführt, wie dies durch den Pfeil 222 angedeutet ist.

Gleichzeitig eilt das an der Stange 208 gelagerte ' Drehgelenk 206 der Stelle 212 vor, wodurch die S_telle 202 sich nach rechts zu bewegen trachtet, wie dies durch einen

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Pfeil 224 angedeutet ist. Somit werden während der nach rechts gerichteten Verlegung des aus den -Arbeitskolben 40 und 42 bestehenden Systems in der durch einen einfachen Pfeil 226 angedeuteten Richtung die Stellen 200 und 202 gegenseitig entfernt, wodurch die Bänder 150 und 132 an der zylindrischen Hantelfläche des Klemmringes 216 gespannt werden, so daß an der Triebwelle 32 ein Drehmoment im Uhrzeigersinn erscheint.

Wenn dagegen das aus den Arbeitskolben 40 und 42 bestehende System in der durch Doppelpfeil 228 angedeuteten umgekehrten Richtung bewegt wird, werden beide zweiarmigen Hebel 196 und 198 in den entgegengesetzten Eichtungen verschwenkt. Dies bedeutet, daß der zweiarmige Hebel 198 sich im Uhrzeigersinn verdreht, so daß beide Bänder I3O und 132 gelockert werden und die Triebwelle ihre durch einen Pfeil 230 angedeutete Drehung im Uhrzeigersinn fortsetzen kann.

Die vorteilhafte Ausführungsform der Gleichrichtervorrichtung gemäß Fig. 6 ist besonders geeignet, zur Steuerung sowohl der Spannung der Bänder wie auch der Umdrehungsrichtung der Triebwelle 32 verwendet zu werden. Dies ist durch die Stange 214 ermöglicht, welche die Stelle 212 mit dem Drehglenk 204 verbindet, wobei in der, in der Zeichnung nicht dargestellten Weise die Stange 214 zur Verschwenkung eingerichtet ist. Wenn sich nun die. Stange 214 im Uhrzeigersinn verschwenkt, werden beide Bänder 13° und 132 gelockert, so daß das auf die Triebwelle 32 einwirkende Drehmoment im Verhältnis zur erwähnten Verschwenkung abnimmt.

Wenn die Stange 214 eine in der Zeichnung horizontale £age einnimmt, werden die Bänder bei keiner der alternativen Bewegungen der Kolbenstange 58 gespannt.

In einer Lage der Stange 214, wo ihre Neigung zur ■ vorherigen umgekehrt ist, führen linke gerichtete Bewegungen der Arbeit skolben 40 und 42 ein Drehmoment an der Triebwelle 32 herbei» eo daß die Drehrichtung der Triebwel-

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le 32 entgegengesetzt ihrer vorherigen Drehrichtung 2JO wird, wobei die Triebwelle 32 entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft. ,

Somit bietet die Anordnung gemäß Fig. 6 eine einfache Möglichkeit zur Regelung sowohl der Größe, wie auch der Richtung des auf die Triebwelle 32 einwirkenden Drehmomentes.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Regelbarkeit der zum Dauerbetrieb der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine erforderlichen Kompressionsarbeit.

Bei geringen Drehzahlen, d.h. bei beträchtlicher Be-' lastung der Freikolbenkraftmaschine wird die Drehung der Triebwelle 32 nicht unterbrochen, weil die gegenseitige Verlegung der Arbeitskolbenstange 58 und der Stange 208 lediglich bei einer Umkehr der Bewegung ausgeglichen werden würde» da die Massenkräfte zu schwach sind, die Bänder 130 und 132 zu spannen, mittels welcher sie den Ring 216 umgürten. Demzufolge tragen die Massenkräfte der ,gesamten Maschine zur Kompressionsarbeit bei.

• Bei hohen Umdrehungszahlen dagegen, wo die gegenseitigen Bewegungen der Arbeitskolbenstange 58 und der Stange 208 verhältnismäßig gering sind, wird die Kompressionsarbeit ausschließlich durch die Energie der expandierenden Gase und durch die Massenkräfte der bei hohen Drehzählen alternative Bewegungen ausführenden Arbeitskolben 40, 42 und Arbeitskolbenstange 150 geliefert.

Die beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen I'reikolbeninnenYerbrennungskraftmaschine gemäß Eig. 7 unterscheidet sich von den vorherigen in der Regel-"barkeit des Abstandes der Zylinder von einander gegenüber liegenden Kolben. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftmaschine vom in den I¹IgI 1 und 2 beschriebenen Typ» wo die Zylinder 20 und 22 von einander gegenüber liegenden Arbeitskoiben 40 bzw. 42 einem Kompressor 76 zugeordnet sind» Der mittlere Wert des nützlichen Volumens

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(der mittleren Kolbenverlegung) wird dadurch regelbar, daß die Arbeitszylinder 20 und 22, sowie die Kompressorzylinder 78 und 80 Systeme bilden, die an parallelen Führungen 252 und 234 gegenseitig verlegt werden können. Derartige Verlegungen werden mechanisch durch eine Spindel 236 getätigt, die mit einander entgegengesetzten Gewinden versehen ist, wobei jedes Gewinde mit einer Kupplungshülse 238 bzw. 240 eingreift, welche Teile des gegenseitig beweglichen Systems von einander zugeordneten Arbeitszylindern und Kompressorzylindern 20, 78 bzw. 22, 80 bilden. In Abhängigkeit von der Umdrehungsrichtung der Spindel 236 werden . die einander zugeordneten Arbeitszylinder und Kompressorzylinder einander genähert oder voneinander entfernt. Auf diese Weise kann das nützliche Volumen der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine selbst im Betrieb wunschgemäß geregelt werden.

Da die Kraftmaschine beim dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Zweitaktinnerverbrennungskolbenkraftmaschine ausgebildet ist, wie dies beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 der Fall war, ist die Regelbarkeit der Ijänge der Abführungsrohr stutz en 242 bzw. 244 zu sichern. Zu diesem Zweck sind sie dicht aber beweglich an die Rohrleitungen 242 bzw. 244 anzuschließen.

Ein darartiges Ausführungsbeispiel gestattet eine wahlweise oder selbsttätige Regelung des nützlichen Volumens der Kraftmaschine· Bei großen Lasten, wo die Betriebsdrehzahl der Kraftmaschine gering sein soll, werden geringe Arbeitslängen gewählt, so daß jedem Zyklus ein Drittel bis ein Viertel Umdrehungen der Triebwelle 32 zugeordnet sind· Eine derartige Einstellung wird bei Fahrzeugmotoren verwendet, wenn Steigungen zu erklemmen sind, Bei geringen Lasten dagegen, wo ein Betrieb der Kraftmaschine "bei hoher D_rehzahl zu bevorziehen ist, werden lange Hübe verwendet, wobei dann einem Zyklus der Kraftmaschine eine bis anderthalb Umdrehungen der Trieb-

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welle 32 zugeordnet werden. Dies ist z. B. der Pail bei Ökonomischen Hochdrehzahrbetrieben.

Bei einer derartigen Einstellung in Hand mit einer Abänderung der eingespritzten Kraftstoffmenge können. Geschwindigkeit wechsel get riebe entfallen.

Wie ersichtlich, beträgt der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmascliine ein Mehrfaches der Wirkungsgrade von Kraftmaschinen mit Kurbelwelle. Der Wärmewirkungsgrad wird zu einem doppelten bis dreifachem Wert erhöht. Zu gleicher Zeit nimmt auch der Kompressionsdruck um einen Faktor von 5 "bis 10 zu. Bezogen auf ein gleiches spezifisches ^aschinengewicht nimmt der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschine um einen Jaktor von 3 bis 15 im Verhältnis zu den bekannten Kolben-

It

kraftmaschinen zu. -Durch Änderung .des Kompressionsverhältnisses werden die Grenzen von ökonomischer Leistungssteigerung beträchtlich erweitert. Die Drehzahl der Kraftmaschi- ■ ne kann durch Regelung der eingespritzten Kraft st off menge bzw. der Güte des Kraftstoffes zwischen sehr weiten Grenzen geregelt werden, so daß in einer Anzahl von Fällen Geschwindigkeit swechselgetriebe entfallen können. Im Gegensatz zu umlaufenden Kolbenkraftmaschinen zeichnet sich die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine durch sehr vorteilhafte Abdichtungsmöglichkeiten aus,, wobei dann die Wirksamkeit des Betriebes erhöht und die H_erstellbarkeit gefördert werden, ölschmierung kann von der Kraftstoffspeisung offensichtlich unabhängig erfolgen, was einen bedeutenden Vorteil im Verhältnis zu Zweitaktinnenverbrennungskraftmaschinen vom Kurbelwellentyp bedeutet. Die Verbrennungsgase können praktisch gänzlich aus den Arbeitszylindern entfernt werden. In Abwesenheit von Kurbelwellen können die Arbeitszylinder Hublängen aufweisen, die im Verhältnis zu den Zylinderdurchmessern bedeutend großer sind. Im allgemeinen wird die Hublänge zeieinhalbmal bis dreimal so groß sein_r wie der Durchmesser des Arbeite Zylinders. Auf diese Weise

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verbrennt der Kaftstoff auf einem bedeutend langen Weg, wodurch praktisch vollkommene Verbrennung erreicht wird. Dies hat zur Folge, daß im Auspuff die Menge von unverbrannten oder unvollkommen verbrannten Gasen bedeutend geringer ist als bei den herkömmlichen Kraftmaschinen dieser Art. Bei Versuchen, konnte festgestellt werden, daß die erfindungsgemäßen Freikolbenkraftmaschinen viel gleichmäßiger laufen, als Innenverbrennungskraftmaschinen der bereits bekannten Art. Es ist auch ersichtlich, daß Belastungen der Bestandteile insbesondere in den Totpunktanlagen der Schwungmassen bedeutend geringer sind, als bei ähnlichen bekannten Kolbenkraftmaschinen.

Im Obigen sind erfindungsgemäße Freikolbenkraftmaschinen beschrieben worden, bei welchen die Arbeitszylinder entlang von Geraden bzw. einander parallelen Linien angeordnet waren. Es ist natürlich auch möglich, andere Anordnungen zu wählen und z.B. radiale Motoren auszubilden. Es ist ferner zu beachten, daß obwohl die Erfindung mindestens ein Paar von zusammenwirkenden Arbeitskolben und Arbeitszylindern erfordert, Kombinationen von derartigen Paaren ermöglicht den Aufbau von ^Mekrzylinderkolbenkraftmaschinen, bei welchen den Arbeitszylindern die Zylinder eines entsprechenden Kompressors zugeordnet sind. Es ist auch ersichtlich, daß die Freikolbenkraftmaschine gemäß der Erfindung durch beliebige Druckmittel'betrieben werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, Dampf oder Luft zu verwenden, ßtartereinrichtungen sind als Hilfseinrichtungen nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße Freikolbenkraftmaschine wird vorteilhaft dadurch, angelassen, daß ein Druckmittel den Arbeitszylindern oder Kompressorzylindern der Kraftmaschine zugeführt wird, wodurch dann die Kolben in alternative Schwingbewegungen versetzt werden. Zu diesem Zweck können an sich bekannte beliebige Vorrichtungen Anwendung finden·

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Freikolbenkraftmaschine mit Triebwelle und mindestens zwei Arbeitszylindern, die einander gegenüber und zur Triebwelle senkrecht angeordnet und mit ,je einem Kolben ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (40, 42), durch eine Kolbenstange (58) nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei zwischen Kolbenstange (58) und Triebwelle (32) ein Leistungsgetriebe (56) mit einer Frei lauf vorrichtung (IO6) zum Umsätzen der alternativen Bewegungen der Kolben (40, 42) in eine gleichgerichtete Umdrehung der Triebwelle (32) vorgesehen ist.
2. Freikolbenkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Freilaufvorrichtung aus einer Klemmbüchse (56) und aus darin laufenden Klemmrollen (106) besteht.
3. Freikolbenkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 mit an den Arbeitszylindern angebrachten Kraftstoffeinspritzpumpen, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftstoffeinspritzpumpen (64, 66) durch je ein Gelenkgestänge (68, 70, 72, 74) mit einer Rolle (72, 7^) betätigt sind, wobei die Rollen auf einer Kurvenbahn (58b)¹ an der Kolbenstange (58) laufen.
4. Freikolbenkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Leistungsgetriebe aus biegsamen Bändern (I30, 132) besteht , die an ihren einander entgegengesetzten Enden (14Q₁ 144) mit der Kolbenstange (58) verbunden und dabei um die Triebwelle (32) gewunden sind.

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