DE2816172C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Freikolben-Brennkraftmaschine ist aus der DE-PS 4 47 099 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist eine Kolbenanordnung auf, die ein gleichzeitiges Arbeiten beider Kraftkolben zuläßt, wobei ein Paar im Abstand voneinander angeordnete Zahnschienen vorgesehen sind, die mit entspre­ chenden Zahnrädern kämmen. Da die Kraftkolben jedoch zwischen der Synchronisiereinrichtung angeordnet sind, baut die be­ kannte Freikolben-Brennkraftmaschine relativ groß. Der auf­ wendige Zahnstangenaufbau mit dem Kupplungsgetriebe macht die bekannte Brennkraftmaschine nicht nur störanfällig, sondern auch recht schwer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Frei­ kolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art dahin­ gehend zu verbessern, daß sie eine kompaktere Bauweise auf­ weist und der Kraftübertragungsmechanismus mechanisch ver­ einfacht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bewegungsumkehr-, Synchronisier- und Massenausgleichsvor­ richtung auf der Längsachse zwischen den beiden Kraftkolben axial angeordnet ist, daß die Zahnstangenanordnung eine zwei­ seitig mit Zähnen versehene Zahnstange aufweist, von der je eine Seite mit einem am Gehäuse der Brennkraftmaschine ge­ lagerten Zahnrad kämmt und daß jedes Zahnrad mit jeweils einer Zahnschiene der Zahnstangenanordnung kämmt, und daß die starr miteinander verbundenen Zahnschienen mit dem zweiten Kraft­ kolben verbunden sind, und daß die Kräfte der Kraftkolben in Richtung der gemeinsamen Längsachse aufeinander gerichtet sind. Damit wird eine Freikolben-Brennkraftmaschine geschaf­ fen, bei der die Verdichtereinrichtung unmittelbar an einen der beiden Kraftkolben und über eine Bewegungsumkehrvorrich­ tung an den anderen Kraftkolben angeschlossen ist, wobei die Bewegungsumkehrvorrichtung als Synchronisier- und Massen­ ausgleichsvorrichtung auf der gemeinsamen Längsachse der beiden Kraftkolben wirkt. Da die von den Kraftkolben bei der gleichzeitigen Zündung auf die Bewegungsumkehrvorrichtung wirkenden Kräfte ausgeglichen sind, sind die auf die Lager in der Brennkraftmaschine wirkenden Kräfte wesentlich geringer als die, die in Maschinen auftreten, deren Zylinder in einer Phasendifferenz von 180° zünden. Dies führt zu einer wesent­ lichen Verminderung der Abnutzung und zu höheren Wirkungs­ graden in Folge verminderter Reibung.

So zeigt bspw. die US-PS 36 10 216 einen durch eine Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Verdichter mit freien Kolben und mit in axialer Richtung versetzten und abwechselnd zündenden Zylindern. Derartige Brennkraftmaschinen haben eine Sychro­ nisiereinrichtung, die einer Maximalkraft unterworfen ist, die gleich der Hälfte der von einem Kolben in einem der Zylinder gelieferten Maximalkraft plus der Hälfte derjenigen Kraft ist, die sich aus dem maximalen Zylinderdruck im Verdichter, multi­ pliziert mit der Verdichterkolbenfläche ergibt.

Bei der in der DE-OS 24 07 028 beschriebenen Freikolbenma­ schine sind die beiden Kraftkolben über eine Zahnstange starr miteinander verbunden. Damit arbeiten die Zylinder dieser Maschine ebenfalls im Wechseltakt, d.h. während der eine Kraftkolben einen Arbeitshub ausführt, macht der andere Kraft­ kolben einen Verdichtungshub. Bei derart abwechselnd zündenden Brennkraftmaschinen ergeben sich hohe auf die Synchronisier­ einrichtung wirkende Kräfte. Außerdem sind diese Brennkraft­ maschinen äußerst empfindlich gegen Druckschwankungen in den Arbeitszylindern. Derartige Druckschwankungen treten bspw. in Zylindern von Dieselmaschinen in Folge von Kohleablagerungen an den Düsen auf, in funkengezündeten Maschinen durch Unter­ schiede in der Vergasereinstellung und in Zweitaktmotoren in Folge des Zusetzens der Ein- oder Auslaßschlitze. Schließlich führt bei diesen abwechselnd arbeitenden Maschinen eine Ver­ änderung des Arbeitshubes zu einer Veränderung des Verdich­ tungsverhältnisses, was dazu führt, daß die Maschinen unter diesen Umständen im Teillastbetrieb mit verringertem Wir­ kungsgrad arbeiten. Folglich sind derartige Maschinen hin­ sichtlich ihrer Ausgangsleistung nicht ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrades regelbar. Demgegenüber ist bei der er­ findungsgemäßen Freikolben-Brennkraftmaschine der gesamte Arbeitsbereich von 0% bis 100% praktisch ohne Wirkungs­ gradverlust regelbar. Dabei ist beachtlich, daß der Wirkungs­ grad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gegenüber den bekannten Maschinen an sich schon durch die verminderte Reibung erhöht ist. Außerdem würden bei Fehlzündungen in einem Zylinder keine Verdreh- oder Verdrillkräfte oder Torsions­ kräfte auf die Bewegungsumkehreinrichtung wirken und diese beeinträchtigen.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen, die sich auf die Lage der Verdichtereinrichtung zwischen und außerhalb der Kraft­ kolben beziehen, sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolben-Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Ebene 2-2 gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolben-Brennkraftmaschine und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Ebene 4-4 gemäß Fig. 3.

In der in Fig. 1 gezeigten Brennkraftmaschine ist mit 11 ein Zylinder bezeichnet, der in sich einen Kraftkolben 12 auf­ weist. Dem Zylinder 11 gegenüber liegt ein Zylinder 13 mit einem ebenfalls koaxial darin beweglichen Kraftkolben 14. Zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Zylindern befindet sich ein Gehäuse 15 mit einem Innenraum 16 für eine Bewegungsumkehr-, Synchronisier- und Massenausgleichsein­ richtung 17, sowie einen Zylinder 18, in dem sich ein Ver­ dichterkolben 19 befindet. Steuerventile 20 und 21 erlauben den Eintritt eines Fluids in den Zylinder 18 bzw. den Austritt des Fluids.

Die Bewegungsumkehr-, Synchronisier- und Massenausgleichs­ einrichtung 17 entspricht der in der US-PS 36 10 216 beschrie­ benen Einrichtung, so daß hier nur bemerkt sei, daß die Be­ wegungsumkehreinrichtung eine doppelte Zahnstange 22 ein­ schließt, die an den Verdichterkolben 19 durch eine Kolben­ stange 19 a angeschlossen ist; der Verdichterkolben 19 ist mit dem Kraftkolben 14 durch eine Kolbenstange 14 a verbunden. Ein Bauteil 23, dessen Abmessungen denen einer Zigarettenschachtel gleichen, weist zwei im Abstand zueinander und einander im Inneren zugewandte Zahnschienen 23 a auf und ist an den Kraft­ kolben 12 durch Kolbenstangen 12 a angeschlossen. Auf fest­ stehenden Lagerzapfen 25 sind Zahnräder 24 drehbar gelagert, deren Zahnkränze mit den Zahnschienen 23 a auf den Zahnstangen 22 und Bauteilen 23 kämmen. Die Lagerzapfen 25 ragen durch Schlitze 26, die dem Bauteil 23 im Gehäuse 15 eine hin- und hergehende Bewegung entgegen den Bewegungsrichtungen der Zahnstange 22 erlauben.

Einer Rückstaukammer 27 können (hier nicht gezeigte) Steuer­ vorrichtungen zugeordnet sein, die die Steuerung des Betriebes der Brennkraftmaschine in herkömmlicher Weise unterstützen.

Die Freikolben-Brennkraftmaschine ist einer Lage gezeigt, die sie einnimmt, wenn der Kraftstoff in den Zylindern 11 und 13 während des normalen Betriebes gezündet wird. In Folge des Zündens bewegen sich der Kraftkolben 12 und das Bauteil 23 auf den Verdichterkolben 19 und den Kraftkolben 14 zu und der Kraftkolben 14, der Verdichterkolben 19 und die Zahnstange 22 werden sich in Richtung auf den Kraftkolben 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 Lagerzapfen 25 im Gleichgewicht und damit ausgeglichen. Das Fluid, das durch das als Rück­ schlagventil ausgebildete Steuerventil 20 in den Zylinder 18 gelangt, wird verdichtet und durch das ebenfalls als Rück­ schlagventil ausgebildete Steuerventil 21 aus dem Gehäuse 15 hinausgedrückt. Der restliche Druck in der Verdichterkammer und/oder ein negativer Druck in der Rückstaukammer 27 bringt die Kolben in ihre Zündausgangsstellung zurück.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Zylinder 111 mit seinem Kraftkolben 112 zwischen einem Gehäuse 115 und einem Verdichterzylinder 118. Der Kraftkolben 114 des Zylinders 113 ist unmittelbar an eine Doppelzahnstange 122 durch eine Kolbenstange 114 a angeschlossen, während der Verdichterkolben 119 an ein mit Außenzahnstangen oder von­ einander im Abstand angeordneten Zahnstangen versehenes Bau­ teil 123 mittels einer Kolbenstange 112 angeschlossen ist.

Claims (3)

1. Freikolben-Brennkraftmaschine mit zwei einander entgegen­ gesetzten Zylindern auf einer gemeinsamen Längsachse, einem ersten Kraftkolben in dem einen und einem zweiten Kraftkolben in dem anderen Zylinder und einer koaxial zu den Kolben an­ geordneten Verdichtereinrichtung, die mit dem ersten Kraft­ kolben bewegbar ist, mit einer Bewegungsumkehr-, Synchro­ nisier- und Massenausgleichsvorrichtung, die sich im Bereich zwischen den Zylindern befindet und funktionell die Ver­ dichtereinrichtung und den ersten Kraftkolben mit dem zweiten Kraftkolben verbindet, und die mindestens eine Zahnstangen­ anordnung aufweist, sowie ein Paar von mit Abstand zueinander angeordneten Zahnrädern, die mit Zahnreihen der Zahnstangen­ anordnung kämmen, und wobei die Zylinder gleichzeitig zünden, so daß jeder der Kraftkolben über die Bewegungsumkehr-, Synchronisier- und Massenausgleichsvorrichtung eine Kraft in derselben Richtung auf die Verdichtereinrichtung ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsumkehr-, Sychro­ nisier- und Massenausgleichsvorrichtung auf der Längsachse zwischen den beiden Kraftkolben (12, 14; 112, 114) axial angeordnet ist, daß die Zahnstangenanordnung eine zweiseitig mit Zähnen versehene Zahnstange (22, 122) aufweist, von der je eine Seite mit einem am Gehäuse (15, 115) der Brennkraft­ maschine gelagerten Zahnrad (24, 124) kämmt und daß jedes Zahnrad mit jeweils einer Zahnschiene (23 a, 123 a) der Zahn­ stangenanordnung kämmt, und daß die starr miteinander ver­ bundenen Zahnschienen (23 a, 123 a) mit dem zweiten Kraftkolben (12, 112) verbunden sind, und daß die Kräfte der Kraftkolben (12, 14; 112, 114) in Richtung der gemeinsamen Längsachse aufeinander gerichtet sind.

2. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung (19) zwischen den Kraftkolben (12, 14) im Gehäuse (15) der Brennkraftma­ schine angeordnet ist.

3. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtereinrichtung (119) jenseits eines der Zylinder (111) auf der Seite liegt, die der Seite dieses Zylinders (111) in Bezug auf die Bewegungsumkehr-, Synchronisier- und Massenausgleichsvorrichtung entgegengesetzt ist.