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"Freikolbenmaschine mit einander gegenüber-
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liegenden und axial versetzten Zylindern" Kraftmaschinen mit freiem
Kolben und einander gegenüberliegenden Zylindern sind bekannt. So zeigen-beispielsweise
die US-PS 3 610 216, 3 853 100 und 2 526 384 durch Kraftmaschinen angetriebene Verdichter
mit freien Kolben und mit in axialer Richtung versetzten und abwechselnd zündenden
Zylindern. Die Kraftmaschine in diesen Patentschriften haben eine Synchronisiervorrichtung,
die einer Maximalkraft unterworfen ist, die gleich der Hälfte der von einem Kolben
in einem der Zylinder gelieferten Maximalkraft plus einer Hälfte derjenigen Kraft
ist, die sich aus dem maximalen Zylinderdruck im Verdichter, multipliziert mit der
Verdichterkolbenfläche ergibt. In einem typischen Kompressor führt dies auf eine
Kraft von etwa 72 kN vom Kraftkolben
her zuzüglich 22 kN vom Verdichterkolben
her auf insgesamt rund 94 kN.
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Abwechselnd zündende Kraftmaschinen sind außerdem sehr empfindlich
gegen Druckschwankungen in ihren entsprechenden Arbeitszylindern, also Verbrennungsräumen.
Diese Druckschwankungen treten in Zylindern von Dieselmaschinen infolge von Kohleablagerungen
an den Düsen auf, ion funkengezündeten Maschinen durch Unterschiede in der Vergasereinstellung
und in Zweitaktmotoren infolge des Zusetzens der Ein- oder Auslaßschlitze.
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Ferner können abwechselnd wirkende Motoren oder Maschinen ihren Abgabe-
oder Arbeitshub nur durch Verändern des Verdichtungsverhältnisses in diesen Kraftzylindern
verändern, was zu verringertem Wirkungsgrad bei Teillast führt und möglicherweise
auch zur Folge hat, daß die Ausgangsleistung nicht bis auf Null heruntergeführt
werden kann.
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Der Anmelder hat zum V.St.A.-Patent 3 525 102 eine Maschine angegeben,
die ein Paar sich gegenläufig bewegender Kraftzylinder in jedem von zwei Seite an
Seite oder parallel angeordneten Zylindern hat. Nachteilig ist hierbei, daß bei
Fehlzündungen in einem der Zylinder ein Verdrehen oder Verdrillen, also eine Torsion
im Synchronisiermechanismus eintritt und zu einer Verringerung des Wirkungsgrades
des Motors, wenn nicht gar zu seiner Beschädigung führt. Außerdem ist die Maschine
nach jenem Entwurf so schwer, daß Geschwindigkeit und Abgabeleistung des Motors
wesentlich verringert sind.
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Mit der vorliegenden Erfindung sollen die vorgenannten Mängel der
bekannten Verdichter, die mit einem Freikolbenmotor angetrieben sind, ausgeschaltet
werden. Im Gegensatz zu diesen bekannten Anordnungen ist die höchste Kraft auf den
Synchronisiermechanismus nach dieser Erfindung bei gleichen Abmessungen
wie
die obengenannten bekannten Vorrichtungen nur rund 45 kN, also weniger als die Hälfte
der Kraft auf den bekannten Synchronisierer. Ferner würden in der Anordnung nach
der Erfindung bei Fehlzündung in einem Zylinder keine Verdreh- oder Verdrillkräfte
oder Torsionskräfte auf den Synchronisiermechanismus wirken und ihn beeinträchtigen.
Darüber hinaus kann die erfundene Anordnung vollkommen zwischen 100% und 0% Ausgangs-
oder Abgabeleistung geregelt oder gesteuert werden, ohne Beeinträchtigung oder Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses in den Kraftzylindern, und daher wird für alle Lastverh-åltnisse
der höchstmögliche Wirkungsgrad erzielt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 eine Schnittansicht
längs der Ebene 2-2 der Fig.
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Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Aus führungsform der
Erfindung, und Fig. 4 einen Schnitt längs der Ebene 4-4 der Fig.3.
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In der Anordnung nach Fig. 1 ist mit 11 ein Kraftzylinder beschrieben,
der in sich koaxial einen Kraftkolben 12 aufnimmt und axial versetzt gegenüber einem
ihm gegenüberliegenden Zylinder 13 mit einem Kraftkolben 14 gelegen ist. Zwischen
den beiden einander gegenüberliegenden Zylindern befindet sich ein Gehäuse 15 mit
einem Innenraum 16 für einen in der Bewegungsrichtung reversierbaren und reversierenden,
synchronisierenden und als Gegengewicht dienenden Mechanismus, der allgemein
mit
17 bezeichnet ist, und ferner ein Zylinder 18, in dem sich ein Verdichterkolben
19 befindet. Steuerventile 20 und 21 erlauben den Eintritt eines Fluids in den Zylinder
18 bzw. den Austritt des Fluids.
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Der Mechanismus 17 ist im allgemeinen der gleiche wie der in den obengenannten
amerikanischen Patenten 2 610 216 und 3 853 100 in Einzelheiten beschriebenen, so
daß es hier genügt, festzuhalten, daß der Mechanismus einen Körper 22 einschließt,
der eine doppelte Zahnstange ist, die an den Verdichterkolben 19 durch eine Kolbenstange
19a angeschlossen ist; der Kolben 19 ist mit dem Kraftkolben 14 durch eine Kolbenstange
14a verbunden. Ein weiterer Körper 23 in Form etwa einer Zigarettenschachtel (vor
allem was das Verhältnis der Abmessungen in den drei Hauptrichtungen betrifft) weist
zwei im Abstand zueinander und einander im Inneren zugewandten Zahnstangenteile
23a auf und ist an den Kraftkolben 12 durch Kolbenstangen 12a angeschlossen. Auf
feststehenden Lagern oder Lagerzapfen 25 sind drehbar Zahnräder 24 gelagert, deren
Zahnkränze mit den Zahnschienen oder -stangen auf den Teilen 22 und 23 kämmen.
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Die Lagerzapfen 25 gehen durch Schlitze 26 hindurch, die dem Körper
23 im Gehäuse 15 eine hin- und hergehende Bewegung entgegen den Bewegungsrichtungen
des Zahnstangenträgers 22 erlauben.
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Einer Rückwirkungs- oder Anschlagkammer 27 können (hier nicht gezeigte)
Steuervorrichtungen zugeordnet sein, die die Steuerung des Betriebes des Motors
in herkömmlicher Weise unterstützen.
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Die Elemente der Erfindung sind in den Lagen oder Stellungen gezeigt,
die sie ncrmalerweise im Augenblick des Zündens des Kraftstoffes in den Zylindern
11 und 12 während des normalen Betriebes derselben einnehmen. Infolge des Zündens
wird sich
der Kolben 12 und der Körper 23 auf den Kolben 19 und
den Kolben 14 zubewegen und der Kolben 14, der Kolben 19 und die Doppelzahnstange
22 werden sich in Richtung auf den Kolben 12 bewegen. Da die Kräfte von den Kraftkolben
an entgegengesetzten Seiten der Zahnräder 24 in entgegengesetzter Richtung angreifen,
sind diese Kräfte in Bezug auf die Lager 25 im Gleichgewicht oder ausgeglichen.
Die Luft oder das sonstige Fluid, das durch das Rückschlagventil 20 in den Zylinder
18 gelangt ist, wird verdichtet und durch das Rückschlagventil 21 aus dem Gehäuse
15 hinausgedrückt. Der Restdruck in der Verdichtungskammer und/oder ein negativer
Druck in der Rückschlagkammer oder Kammer 27 wird dann die Kolben in ihre Zündausgangsstellung
zurückbringen.
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In der Ausführungsform nach Fig. 3 befindet sich der Zylinder 111
mit seinen Kraftkolben 112 zwischen einem Gehäuse 115 und einem Verdichterzylinder
118. Der Kraftkolben 114 des Zylinders 113 ist unmittelbar an eine Doppelzahnstange
122 durch eine Stange 114a angeschlossen, während der Verdichterkolben 119 an einen
mit Außenzahnstangen oder. voneinander im Abstand angeordneten Zahnstangen ausgestatteten
Körper 123 mittels einer Stange 112a angeschlossen ist. Die Arbeitsweise dieser
Abwandlungsform nach Fig. 3 ist im wesentlichen dieselbe wie der nach Fig. 1; der
Hauptunterschied besteht darin, daß der Verdichterkolben Teil einer Baugruppe ist,
die statt der inneren Doppelzahnstange 122 den mit durch einen Abstand getrennten
Zahnstangen ausgestatteten Körper 123 enthält. Dies bedeutet, daß das Gewicht des
Körpers 123 wesentlich kleiner als das Gewicht des Körpers 23 ist und daß das Gewicht
der Doppelzahnstange 122 viel größer als das der Doppelzahnstange 22 ist, damit
die sich entgegengesetzt bewegenden Baugruppen nach Gewicht und Masse richtig ausgeglichen
sind. Das Gewicht der übrigen Elemente jeder Baugruppe kann ebenfalls abgewandelt
werden. Die Arbeitsweise der Verdichtereinheit nach Fig. 3 ist die gleiche wie die
der Einheit nach Fig.
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Zusammenfassend wird hier eine Freikolbenmaschine gelehrt, die zwei
einander entgegengesetzte Kraftzylinder und Kolben aufweist, wobei die Kolben auf
einer gemeinsamen Längsachse mit einer energieaufnehmenden Vorrichtung angeordnet
sind, beispielsweise einem Verdichterkolben; dabei ist die energieaufnehmende Vorrichtung
unmittelbar an einen der beiden Arbeitskolben und mittelbar an den anderen Arbeitskolben
durch eine Bewegungsumkehrvorrichtung oder Reversiervorrichtung angeschlossen, die
als Synchronisier- und Massenausgleichsvorrichtung auf der genannten Achse wirkt.
Die Zylinder sind für gleichzeitige Zündung angeordnet und ausgestattet und infolge
der Tatsache, daß die von den Kraftkolben auf die Reversiervorrichtung wirkenden
Kräfte ausgeglichen sind, sind die auf die Lager in der Vorrichtung wirkenden Kräfte
vermindert gegenüber solchen, die in Maschinen auftreten, deren Zylinder in einer
Phasendifferenz von 1800 zünden. Dies führt zu einer wesentlichen Verminderung der
Abnutzung und zu höheren Wirkungsgraden infolge verminderter Reibung. Die Maschine
kann ferner eine Drall-, Anschlag- oder Rückstaukammer in sich enthalten, was zu
einer besseren Steuerung und zu einer stabileren Arbeitsweise der Kraftkolben als
in den Maschinen führt, in denen abwechselnd wirkende Paare von Kraftkolben vorhanden
sind, die keine Kraftkolbenumkehrvorrichtungen erfordern.
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Die neue Lehre läßt sich auch in anderen als den hier näher beschriebenen
Formen ausführen. Im Zweifel sind alle hier beschriebenen und/oder dargestellten
Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination erfindungswesentlich.
Schutz wird begehrt für das, was objektiv schutzfähig ist.
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Patentansprüche: