DE3508726A1 - Free piston engine - Google Patents
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- F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
- F01B11/001—Reciprocating-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
Abstract
Description
Beschreibung description
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.The invention relates to a double-acting free piston engine Devices for power output, which are firmly connected by the two, Axially movable cylinder heads in the engine block are driven, whereby the engine piston Without mechanical coupling with the cylinder heads, it has the same frequency but is variable out of phase, oscillates back and forth axially.
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 the known free piston engines, the engine piston is fixed to the Compressor or pump piston connected. The ratio of the change in volume in the engine working space to the volume change in the compressor or pump work space always remains constant. With this system of free piston engines, the running safety is particularly important not satisfactorily resolved when pumping non-compressible media.
In der DE-OS 33 15 052 ist ein anderes System des Freikolbenmotors offenbart, das Grundlage vorliegender Erfindung ist.In DE-OS 33 15 052 there is another system of the free piston engine disclosed which forms the basis of the present invention.
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.This system is based on the knowledge described below: Every free piston engine is a mechanical oscillating circuit, the frequency of which depends on the stored internal amount of energy is dependent. The frequency increases with increasing inner energy. The energy storage. takes place through constant conversion of more potential in kinetic energy and vice versa. The feeding of potential Energy in the resonant circuit is generated by the energy running off in the working area of the engine thermodynamic cycle, which to its maintenance a motor and fuel-specific lower value of the internal amount of energy in the oscillating circuit requires. If the internal amount of energy is too low, the motor comes to a standstill causes impermissible values if a motor-specific value is exceeded high compression in the working spaces of the engine, resulting in increased wear occurs and premature material destruction cannot be ruled out. pre-condition for the reliable Functionality of the free piston engine is hence the guarantee of the internal amount of energy corresponding to each operating state. This is achieved through a frequency-dependent coupling of the devices in accordance with the resonance circuit to deliver power to the actual engine.
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.In the case of the free piston engine according to the aforementioned OS, the engine piston oscillates without a rigid connection to the pump piston between the two axially movable Cylinder heads back and forth in the engine block. The two cylinder heads are with the Pump piston connected and drive them. The pump pistons oscillate among themselves in phase and amplitude, but out of phase with the engine piston. The degree of the phase shift as well as the amplitudes of the oscillations of the cylinder heads are operationally variable. This loosely variable coupling between motor and pump includes a system-related automatic control of the power output.
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.The disadvantage of the free piston engine described is that the system-related Control characteristics cannot be influenced. Another disadvantage arises from the fact that the engine block alternates with each stroke of the freely oscillating engine piston is axially stressed and thus oscillates axially.
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.The present invention is therefore based on the object To create free piston engine of the type described, in which the power output to the optimally adapted to the respective purpose as well as the changing operating conditions can be.
Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit Regeleinrichtungen versehen sind.To solve the problem, it is proposed that the devices for Power output are provided with control devices.
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.In the free-piston engine, which is particularly suitable for hydrostatic power output the power delivery devices preferably include piston pumps or compressors. Depending on the intended use, each the one or more piston pumps or compressors on opposite sides of the engine be arranged. It is useful that the phase shifted by 180 ° between two at least one lockable bypass for the pump or compressor working rooms is available.
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.The axially acting forces in the power delivery devices are, depending on the intended use of the motor, by compensating reciprocating Weights recorded. By blocking individual compensating weights, or through their loading by means of electromagnetic control, the control characteristics the power output can be changed.
Zum Schutz gegen Überbelastung ist vorgesehen, daß die Vorrichtungen zur Leistungsabgabe mit mindestens einer druckabhängig öffnenden Sicherheitsvorrichtung ausgerüstet sind.To protect against overloading, it is provided that the devices for power output with at least one pressure-dependent opening safety device are equipped.
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.This converts excess pump energy through turbulent flow in warmth. One or more sensors measure the degree of stress and send signals to an actuator that throttles the fuel supply to the engine.
Die systembedingte automatische Steuerung der Leistungsagabe kann dadurch beeinflußt werden, daß durch Vordruckregelung ansteuerbare Luftpolster vorhanden sind.The system-related automatic control of the power output can be influenced by the fact that air cushions controllable by pre-pressure regulation are present are.
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.When starting the engine, it is advantageous if at least one effective hydrostatic circuit is provided with a controllable starting aid valve. This initially blocks the power output devices and is activated by changing the valve load and opens variably depending on the pressure. at Pneumatic or electrical power output can be achieved by the motor with a jump start brake be equipped.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Schemazeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of two schematic drawings explained.
Fig. I: Ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors mit Vorrichtungen zur Leistungsabgabe, auszugsweise im Längsschnitt.Fig. I: An embodiment of the free piston engine with devices for power output, excerpts in longitudinal section.
Fig. II: Ein Ausführungsbeispiel einer vierfachwirkenden Kolbenpumpe auszugsweise im Längsschnitt.Fig. II: An embodiment of a four-way piston pump excerpts in longitudinal section.
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.The principle of this free piston engine is that it has two and swinging weights caused by the functional sequences in the two Engine work spaces 4 are coupled. The engine piston 2 is hereinafter also referred to as Weight mass a denotes and swings back and forth free of direct power output here. The two cylinder heads 6, the cylinder jacket 8, the piston rods 20 and the Pump pistons 22 are firmly connected to one another and can be moved axially in the engine block, they thus form a weight mass, which is referred to below with b, they is directly involved in the service delivery.
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.The thermodynamic cycle takes place in the two engine working spaces 4 takes place according to the two-stroke process, the axially acting forces load the engine piston 2 (weight mass a) and the weight mass b over the two cylinder heads.
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.The axially acting forces in the air cushions 10, in the auxiliary work rooms 16, in the pump working spaces 24 and those of the linear generator 38 load the weight mass b and the engine block 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.The two weights a and b constantly measure the axially on them acting forces and "calculate" the two resulting forces, and each controls their acceleration or deceleration due to their inertia. The vibration behavior the weight masses a and b behaves in such a way that from a systemic automatic Control of power output can be assumed.
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.The amplitudes of the weight mass b are due to the structural design of the two air cushions 10, and there is also a system-related limitation before, it results mainly from the weight ratio of the two weights a and b. The connecting line 12 can be implemented several times, it provides each stroke of the cylinder heads 6 for pressure equalization in the two air cushions 10, this is softened that the weight mass b does not drift to one side.
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.The cylinder heads 6 also act as pistons for the air cushions 10 as well as for the auxiliary work spaces 16, these are ring-shaped and can be used as compressor work spaces can be used or as a flushing pump for air cooling of the engine.
Die beide Pumpenkolben 22 der 4-fachwirkenden Kolbenpumpe (Fig. II) schwingen miteinander phasen- und amplitudengleich, jedoch gegenüber der kompensierenden Gewichtsmasse 34 phasenverschoben.The two pump pistons 22 of the 4-way piston pump (Fig. II) oscillate with one another in phase and amplitude, but opposite to the compensating one Weight mass 34 out of phase.
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.The compensating weight mass 34 is a in this embodiment Stepped piston, which is secured against drifting by the two additional air cushions 36 is. It relieves the load on the engine block 1 by absorbing axially acting forces it acts due to its inertia and controls the flow rate depending on the pressure and frequency.
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.The starting aid valve 32 is activated via the valve load it opens variably depending on the pressure. Its function is the weight mass b to block, so that when the engine is started, the damping of the resonant circuit is very much is low. The start aid valve 32 is only fully functional in a hydrostatic Circle. This is why the start-up brake is used when only pneumatic and electrical power is output 18 more appropriate. Both still act as an automatic clutch because they are only limited block the power output.
Eine Ringspule bildet mit der kompensierenden Gewichtsmasse 34 einen Liniargenerator 38 bzw einen liniaren Elektromotor.A ring coil forms one with the compensating weight mass 34 Linear generator 38 or a linear electric motor.
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.If the load on the pump piston 22 increases very high, then the opens Safety device 30 and thus prevents exceeding the permissible internal amount of energy of the free piston engine. You can have one or more pressure dependent opening valves, these can be connected in series or in parallel be.
Der absperrbare Bypass 28 kann mit einem oder mehreren Ventilen versehen sein, er soll wenig Strömungswiderstand haben. - Leerseite -The lockable bypass 28 can be provided with one or more valves be, it should have little flow resistance. - blank page -
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