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Beschreibung
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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.
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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.
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In der DE-OS 33 15 052 ist ein anderes System des Freikolbenmotors
offenbart, das Grundlage vorliegender Erfindung ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtungen zur
Leistungsabgabe mit Regeleinrichtungen versehen sind.
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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.
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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.
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Zum Schutz gegen Überbelastung ist vorgesehen, daß die Vorrichtungen
zur Leistungsabgabe mit mindestens einer druckabhängig öffnenden Sicherheitsvorrichtung
ausgerüstet sind.
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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.
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Die systembedingte automatische Steuerung der Leistungsagabe kann
dadurch beeinflußt werden, daß durch Vordruckregelung ansteuerbare Luftpolster vorhanden
sind.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Schemazeichnungen näher
erläutert.
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Fig. I: Ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors mit Vorrichtungen
zur Leistungsabgabe, auszugsweise im Längsschnitt.
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Fig. II: Ein Ausführungsbeispiel einer vierfachwirkenden Kolbenpumpe
auszugsweise im Längsschnitt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die beide Pumpenkolben 22 der 4-fachwirkenden Kolbenpumpe (Fig. II)
schwingen miteinander phasen- und amplitudengleich, jedoch gegenüber der kompensierenden
Gewichtsmasse 34 phasenverschoben.
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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.
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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.
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Eine Ringspule bildet mit der kompensierenden Gewichtsmasse 34 einen
Liniargenerator 38 bzw einen liniaren Elektromotor.
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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.
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Der absperrbare Bypass 28 kann mit einem oder mehreren Ventilen versehen
sein, er soll wenig Strömungswiderstand haben.
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