DE3508726A1 - Freikolbenmotor - Google Patents

Freikolbenmotor

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/001Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in the two directions is obtained by one double acting piston motor

Description

  • Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden Freikolbenmotor mit Vorrichtungen zur Leistungsabgabe, die von den beiden fest miteinander verbundenen, axial im Motorblock bewegbaren Zylinderköpfen angetrieben werden, wobei der Motorkolben ohne mechanische Kopplung mit den Zylinderköpfen frequenzgleich, jedoch variabel phasenverschoben, axial hin-und herschwingt.
  • Bei den bekannten Freikolbenmotoren ist der Motorkolben fest mit dem Verdichter- bzw. Pumpenkolben verbunden. Das Verhältnis der Volumenänderung im Motorarbeitsraum zu der Volumenänderung im Verdichter- bzw. Pumpenarbeitsraum bleibt dabei immer konstant. Bei diesem System der Freikolbenmotoren ist die Laufsicherheit insbesondere bei Förderung von nichtkompressiblen Medien nicht zufriedenstellend gelöst.
  • In der DE-OS 33 15 052 ist ein anderes System des Freikolbenmotors offenbart, das Grundlage vorliegender Erfindung ist.
  • Dieses System basiert auf den nachfolgend beschriebenen Erkennissen: Jeder Freikolbenmotor ist ein mechanischer Schwingkreis, dessen Frequenz von der gespeicherten inneren Energiemenge abhängig ist. Die Frequenz steigt mit zunehmender inneren Energie. Die Energiespeicherung . erfolgt durch ständige Umwandlung von potentieller in kinetische Energie und umgekehrt. Die Zuführung von potentieller Energie in den Schwingkreis erfolgt durch den in den Arbeitsräumen des Motors ablaufenden thermodynamischen Kreisprozeß, der zu seiner Aufrechterhaltung einen motor- und kraftstoffspezifischen unteren Wert der inneren Energiemenge des Schwingkreises erfordert. Während eine zu geringe innere Energiemenge den Stillstand des Motors verursacht, ergeben sich bei Überschreitung eines motorspezifischen Wertes unzulässige hohe Verdichtungen in den Arbeitsräumen des Motors, wodurch erhöhter Verschleiß entsteht und eine frühzeitige Materialzerstörung nicht auszuschließen ist. Voraussetzung für die zuverlässige Funktionsfähigkeit des Freikolbenmotors ist daher die Gewährleistung der jedem Betriebszustand entsprechenden inneren Energiemenge. Dies wird durch eine schwingkreisgerechte frequenzabhängige Ankopplung der Vorrichtungen zur Leistungsabgabe an den eigentlichen Motor erreicht.
  • Bei dem Freikolbenmotor gemäß vorgenannter OS schwingt der Motorkolben ohne starre Verbindung mit den Pumpenkolben zwischen den beiden axial bewegbaren Zylinderköpfen im Motorblock hin und her. Die beiden Zylinderköpfe sind mit den Pumpenkolben verbunden und treiben diese an. Dabei schwingen die Pumpenkolben untereinander phasen- und amplitudengleich, jedoch gegenüber dem Motorkolben phasenverschoben. Der Grad der Phasenverschiebung sowie die Amplituden der Sc-hwingungen der Zylinderköpfe sind betriebsbedingt variabel. Diese lose variable Kopplung zwischen Motor und Pumpe beinhaltet eine systembedingte automatische Steuerung der Leistungsabgabe.
  • Nachteilig ist bei dem beschriebenen Freikolbenmotor, daß die systembedingte Regelungscharakteristik nicht beeinflußbar ist. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß bei jedem Hub des freischwingenden Motorkolbens der Motorblock wechselseitig axial beansprucht wird und somit axial mitschwingt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Freikolbenmotor der beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Leistungsabgabe dem jeweiligen Verwendungszweck sowie den wechselnden Betriebsbedingungen optimal angepaßt werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit Regeleinrichtungen versehen sind.
  • Bei dem für hydrostatische Leistungsabgabe besonders geeigneten Freikolbenmotor umfassen die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe vorzugsweise Kolbenpumpen oder Verdichter. Entsprechend dem vorgesehenen Verwendungszweck können auf jeder der sich gegenüberliegenden Motorseiten eine oder mehrere Kolbenpumpen oder Verdichter angeordnet sein. Dabei ist es zweckmäßig, daß zwischen zwei um 180° phasenverschoben wirkenden Pumpen- bzw Verdichterarbeitsräumen mindestens ein absperrbarer Bypass vorhanden ist.
  • Die axial wirkenden Kräfte in den Vorrichtungen zur Leistungsabgabe werden, je nach Verwendungszweck des Motors, durch kompensierende hin- und herschwingende Gewichtsmassen aufgenommen. Durch Blockieren einzelner kompensierender Gewichtsmassen, oder durch deren Belastung mittels elektromagnetischer Ansteuerung kann die Regelungscharakteristik der Leistungsabgabe verändert werden.
  • Zum Schutz gegen Überbelastung ist vorgesehen, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit mindestens einer druckabhängig öffnenden Sicherheitsvorrichtung ausgerüstet sind.
  • Diese wandelt überschüssige Pumpenergie durch turbolente Strömung in Wärme um. Dabei messen ein oder mehrere Sensoren den Grad der Beanspruchung und geben Signale an ein Stellglied, das die Kraftstoffzufuhr des Motors drosselt.
  • Die systembedingte automatische Steuerung der Leistungsagabe kann dadurch beeinflußt werden, daß durch Vordruckregelung ansteuerbare Luftpolster vorhanden sind.
  • Beim Anfahren des Motors ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein wirksamer hydrostatischer Kreislauf mit einem ansteuerbaren Starthilfeventil versehen ist. Dieses blockiert zunächst die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe, wird angesteuert durch die Veränderung der Ventilbelastung und öffnet variabel druckabhängig. Bei pneumatischer oder elektrischer Leistungsabgabe kann der Motor mit einer Starthilfebremse ausgerüstet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Schemazeichnungen näher erläutert.
  • Fig. I: Ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors mit Vorrichtungen zur Leistungsabgabe, auszugsweise im Längsschnitt.
  • Fig. II: Ein Ausführungsbeispiel einer vierfachwirkenden Kolbenpumpe auszugsweise im Längsschnitt.
  • Das Prinzip dieses Freikolbenmotors besteht darin, daß er zwei hin- und herschwingende Gewichtsmassen hat, die durch die Funktionsabläufe in den zwei Motorarbeitsräumen 4 gekoppelt sind. Der Motorkolben 2 wird nachfolgend auch als Gewichtsmasse a bezeichnet und schwingt frei von direkter Leistungsabgabe hin und her. Die zwei Zylinderköpfe 6, der Zylindermantel 8, die Kolbenstangen 20 und die Pumpenkolben 22 sind fest miteinander verbunden und axial im Motor block bewegbar, sie bilden somit eine Gewichtsmasse, die nachfolgend mit b bezeichnet wird, sie ist direkt an der Leistungsabgabe beteiligt.
  • In den zwei Motorarbeitsräumen 4 findet der thermodynamische Kreisprozeß nach dem Zweitaktverfahren statt, die dabei axial wirkende Kräfte belasten den Motorkolben 2 (Gewichtsmasse a) und über die beiden Zylinderköpfe die Gewichtsmasse b.
  • Die axial wirkenden Kräfte in den Luftpolstern 10, in den Nebenarbeitsräumen 16, in den Pumpenarbeitsräumen 24 und die des Liniargenerators 38 belasten die Gewichtsmasse b und den Motorblock 1.
  • Die beiden Gewichtsmassen a und b messen ständig die auf sie axial wirkenden Kräfte und "errechnen" die zwei resultierenden Kräfte, und jede steuert für sich durch ihre Massenträgheit ihre Beschleunigung bzw. Abbremsung. Das Schwingverhalten der Gewichtsmassen a und b verhält sich so, daß von einer systembedingten automatischen Steuerung der Leistungsabgabe ausgegangen werden kann.
  • Die Amplituden der Gewichtsmasse b sind durch die konstruktive Gestaltung der beiden Luftpolster 10 begrenzt, außerdem liegt eine systembedingte Begrenzung vor, sie ergibt sich hauptsächlich aus dem Gewichtsverhältnis der beiden Gewichtsmassen a und b. Die Verbindungsleitung 12 kann mehrfach ausgeführt werden, sie sorgt bei jedem Hub der Zylinderköpfe 6 für einen Druckausgleich in den zwei Luftpolstern 10, dadurch wird erweicht, daß die Gewichtsmasse b nicht nach einer Seite driftet.
  • Die Zylinderköpfe 6 wirken gleichzeitig noch als Kolben für die Luftpolster 10 sowie für die Nebenarbeitsräume 16, diese sind ringförmig und können als Verdichterarbeitsräume genutzt werden oder als Spülpumpe für die Luftkühlung des Motors.
  • Die beide Pumpenkolben 22 der 4-fachwirkenden Kolbenpumpe (Fig. II) schwingen miteinander phasen- und amplitudengleich, jedoch gegenüber der kompensierenden Gewichtsmasse 34 phasenverschoben.
  • Die kompensierende Gewichtsmasse 34 ist bei dieser Ausführung ein Stufenkolben, der durch die beiden zusätzlichen Luftpolster 36 gegen Abdriften gesichert ist. Sie entlastet den Motorblock 1 indem sie axial wirkende Kräfte aufnimmt, -außerden wirkt sie durch ihre Massenträgheit druck- und frequenzabhängig regelt auf die Fördermenge.
  • Das Starthilfeventil 32 wird über die Ventilbelastung angesteuert es öffnet variabel druckabhängig. Seine Funktion besteht darin die Gewichtsmasse b zu blockieren, damit beim Starten des Motors die Dämpfung des Schwingkreises sehr gering ist. Das Starthilfeventil 32 ist nur voll funktionsfähig in einem hydrostatischen Kreis. Deshalb ist bei nur pneumatischer und elektrischer Leistungsabgabe die Starhilfebremse 18 zweckmässiger. Beide wirken noch als automatische Kupplung, weil sie nur begrenz die Leistungsabgabe blockieren.
  • Eine Ringspule bildet mit der kompensierenden Gewichtsmasse 34 einen Liniargenerator 38 bzw einen liniaren Elektromotor.
  • Steigt die Belastung der Pumpenkolben 22 sehr hoch, dann öffnet die Sicherheitsvorrichtung 30 und verhindert somit eine Überschreitung der zulässigen inneren Energiemenge des Freikolbenmotors. Sie kann mit einem oder mehreren druckabhängig öffnenden Ventilen ausgestattet sein, diese können in Reihe oder parallel geschaltet sein.
  • Der absperrbare Bypass 28 kann mit einem oder mehreren Ventilen versehen sein, er soll wenig Strömungswiderstand haben. - Leerseite -

Claims (12)

  1. Patentansprüche 1. Doppeltwirkender Freikolbenmotor mit Vorrichtungen zur Leistungsabgabe, die von den beiden fest miteinander verbundenen, axial im Motorblock bewegbaren Zylinderköpfen angetrieben werden, wobei der Motorkolben ohne mechanische Kopplung mit den Zylinderköpfen frequenzgleich, jedoch variabel phasenverschoben, axial hin-und herschwingt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit Regeleinrichtungen versehen sind.
  2. 2. Freikolbenmotor nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe vorzugsweise Kolbenpumpen oder Verdichter sind.
  3. 3, Freikolbenmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder gegenüberliegenden Motorseite symetrisch eine oder mehrere Kolbenpumpen oder Verdichter angeordnet sind.
  4. 4. Freikolbenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei um 180 Grad phasenverschoben wirkenden Pumpen- bzw. Verdichterarbeitsräumen (24, 26) mindestens ein absperrbarer Bypass (28) vorhanden ist.
  5. 5. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit einer oder mehreren kompensierenden, axial hin- und herschwingenden Gewichtsmassen (34) versehen sind.
  6. 6. Freikolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine blockierbare kompensierende Gewichtsmasse (34) vorhanden ist.
  7. 7. Freikolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kompensierende Gewichtsmasse (34) ganz oder teilweise aus einem elektromagnetisch ansteuerbaren Material besteht.
  8. 8. Freikolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit mindestens einer druckabhängig öffnenden Sicherheitsvorrichtung (30) ausgerüstet sind.
  9. 9. Freikolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitsvorrichtung (30) mit einem oder. mehreren Sensoren versehen ist.
  10. 10. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vordruckregelung ansteuerbare Luftpolster (10) vorhanden sind.
  11. 11. Freikolbenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein wirksamer hydrostatischer Kreislauf mit einem ansteuerbaren Starthilfeventil (32) versehen ist.
  12. 12. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor mit einer Starthilfebremse (18) ausgerüstet ist.
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