-
Freikolbenmotor
-
Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit einem in einem Zylinder
geführten Kolben, wobei der Zylinder mit den Stirnseiten des Kolbens Brennräume
begrenzt, die Stirnseiten Ansätze aufweisen und die Wandung des Zylinders Eintrittsöffnungen
für Luftbzw. Luft-Brennstoff- Gemisch und Austrittsöffnungen für die Verbrennungsgase
hat und wobei der Kolben die Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen je nach seiner
Stellung freigibt beziehungsweise sperrt.
-
Freikolbenmotoren weisen in Zylindern geführte Kolben auf, die mit
den Zylindern Brennräume begrenzen, in denen abwechselnd Luft-Brennstoff-Gemische
gezündet werden.
-
Die Bewegungsenergie der Kolben wird auf ein hydraulisches Medium
zum Antreiben von Hydromotoren übertragen, die beispielsweise Kraftfahrzeuge antreiben.
-
Nach diesem Prinzip können auch Pumpen ausgebildet sein.
-
Es ist bekannt ( DE-OS 30 29 287 ) , auf den Stirnflächen einer Kolbenstange
jeweils einen Kolben und in der Mitte zwischen diesen beiden Kolben auf der Kolbenstange
einen dritten Kolben anzuordnen. Die beiden äußeren Kolben begrenzen mit dem Zylinder
jeweils
einen Brennraum, während der mittlere Kolben mit dem Zylinder zwei Räume zum Vorverdichten
eines Luft-Brennstoff-Gemisches begrenzt, das über Überströmkanäle abwechselnd in
die Brennräume eingespeist und gezündet wird.
-
Es ist auch bekannt ( US-PS 4 449 488, DE-OS 28 1 660 ), in einem
mit dem Zylinder die Brennräume begrenzenden Kolben einen zweiten Kolben zur Ausbildung
von Kammern zum Vorverdichten der Luft anzuordnen.
-
Generell kann den Brennräumen Luft bzw. ein Luft-Brennstoff-Gemisch
zugeführt werden.Im ersten Falle wird noch Brennstoff in die Brennräume eingespritzt.
-
Generell können in den Brennräumen Zündelektroden angeordnet sein.
Die Verdichtung kann in den Brennräumen so hoch sein, daß eine Zündung von selbst
erfolgt..
-
Als Brennstoff können flüsssige, gasförmige und auch feste Brennstoffe
zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel Benzin Schweröl, Leichtöl oder Kohlenstaub
usw.
-
Es sind weiterhin Freikolbenmotoren mit einem in einem Zylinder geführten
Kolben ( US-PS 4 205 528 ) bekannt , wobei der Zylinder mit den Stirnseiten des
Kolbens Brennräume begrenzt-, die Stirnseiten Ansätze und die Brennräume Düsen zum
Einspritzen eines Brennstoffes aufweisen und die Wandung des Zylinders Eintrittsöffnungen
für Luft und Austrittsöffnungen für die Verbrennungsgase hat und wobei der Kolben
je nach seiner Stellungdie Eintrittsöffnungen und die Austrittsöffnungen freigibt
beziehungsweise sperrt. Die Ansätze auf den Stirnseiten des Kolbens sind kegelstumpfförmig
und leiten die in die Brennräume eingespeiste Luft in der Weise,daß, zu Beginn die
Brennräume von
den Verbrennungsgasen freigespült werden.
-
Wie bei den bereits erwähnten Freikolbenmotoren ist jedoch ein erheblicher
konstruktiver Aufwand erforderlich, um in Abhängigkeit der Kolbenstellung das Einleiten
der Luft und des Brennstoffes in die Brennräume zu steuern.Dieser Aufwand setzt
die Störanfälligkeit herauf und stellt an die Wartung erhebliche Anforderungen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Freikolbenmotoren der eingangs
erwähnten Art derart auszubilden, daß eine möglichst einfache Steuerung geschaffen
ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ansätze
auf den Stirnseiten des Kolbens zylindrische Ansätze sind und einen kleineren Durchmesser
als der Kolben aufweisen, die Ansätze von dem Zylinder geführt sind, der Kolben
Kanäle aufweist, die je nach seiner Stellung mit den Eintrittsöffnungen des Zylinders
in Verbindung stehen, die Ansätze in ihre Mantelflächen mündende und mit den Kanälen
in Verbindung stehende Bohrungen aufweisen, die der Zylinder je nach der Stellung
des Kolbens freigibt bzw. sperrt.
-
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Zufuhr der Luft bzw.
des Gemisches in die Brennräume und das Entfernen der Verbrennungsgase aus den Brennräumen
lediglich durch die Stellung des Kolbens mit seinen beiden zylindrischen Ansätzen
erfolgt.
-
Zu diesem Zwecke ist der Kolben mit seinen beiden zylindrischen Ansätzen
entprechend zu bemessen , die Kanäle und Bohrungen sind entsprechend auszubilden
und entsprechend zu den Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen des Zylinders
anzuordnen.
-
Je nach er Kolbenstellung stehende Eintrittsöffnungen mit den Bohrungen
und Kanälen des Kolbens und seiner Ansätze in Verbindung beziehungsweise sind sie
gesperrt, während die Austrittsöffnungen gesperrt beziehungsweise freigegeben sind.
Die durch die Kanäle und die Bohrungen in die Brennräume eintretende Luft oder das
Gemisch strömt an der Wandung der Brennräume entlang und schiebt die Verbrennungsgase
praktisch vollständig aus den Verbrennungräumen heraus , so daß eine optmale Ladung
der Brennräume erfolgen kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Düsen für den Brennstoff
kranzartig in der den Stirnflächen der Ansätze gegenüberliegenden Wandung der Brennräume
angeordnet.
-
Durch diese Maßnahme wird erreicht, das ein möglichst homogenes Gemisch
aus Brennstoff und Luft in den Brennräumen gebildet wird.
-
Zu diesem Zweck sind in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
die Kanäle in den zylindrischen Ansätzen so ausgebildet, daß ihre Mündungen auf
den Mantelflächen dieser zylindrischen Ansätze kranzartig angeordnet sind Vorzugsweise
sind die Düsen in toroidartigen zu den zyli.ndrischen Ansätzen koaxialen Ausnehmungen
der Brennräume angeordnet.
-
Durch dies-e Maßnahmen wird erreicht, daß die in die Brennräume eintretende
Luft bzw. Gemischoptimal die Brennräume von den Verbrennungsgasen freispült.
-
Gleichzeitig ist es durch diese toroidartige Ausbildung der Brennräume
möglich, das kleinste Volumen der Brennräume und damit auch die maximale Verdichtung
des Luft-Brennstoff-Gemisches
konstruktiv vorzugeben.
-
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Achsen
der Eintrittsöffnungen für die Luft bzw. das Gemisch in der Zylinderwandung so angeordnet,
daß der achsialen Bewegung des Kolbens eine Rotationsbewegung überlagert ist.
-
Durch diese Maßnahmen wird ein Einlaufenn des Kolbens verhindert,
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der Wandung des Zylinders
Wegaufnehmer für die Stellung des Kolbens zur Bestimmung des Einspritzzeitpunktes
für den Brennstoff bzw.
-
des Zeitpunktes für das Zünden angeordnet sind.
-
Die Wegaufnehmer sind beispielsweise Magnetfeldsonden, die nach dem
Induktionsprinzip arbeiten und die durch die Bewegung des Kolbens eine von seiner
Stellung abhängige Induktionsspannung erzeugen.
-
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße
Freikolbenmotor gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Verdichten der Luft und
einen Ladeluftdruckspeicher.
-
Das Verdichten der Luft kann nach dem Prinzip des Turboladers erfolgen,
es können auch übliche Pumpen zum Verdichten.eingesetzt werden.
-
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit einem
auf Motor- bzw. Pumpenbetrieb umschaltbares Hydraulikaggregat gekoppelte Lichtmaschine
vorgesehen, die beim Starten des Freikolbenmotors als Motor geschaltet ist.
-
Durch diese MaBnahmen ist eine Starteinrichtung für den Freikolbenmotor
geschaffen. Während des Startens wird die Lichtmaschine von einem Akkumulator gespeist,der
das im Pumpenbetrieb arbeitende Hydraulikaggregat antreibt. Sobald der Freikolbenmotor
gestartet ist, arbeitet das Hydraulikaggregat im Motorbetrieb , das die Lichtmaschine
antreibt, die ihrerseits die Batterie lädt.
-
Diese Starteinrichtung ist generell bei allen Freikolbenmotoren einsetzbar,
so daß für diese Starteinrichtung unabhängig von dem erfindungsemäßen Freikolbenmotor
Schutz beansprucht ist.
-
Die Erfindung iSt in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels
und eines Blockschaltbildes erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Freikolbenmotors und Figur 2 das Blockschaltbild.
-
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors.
Mit 1 ist der Zylinder bezeichnet. Er weist in seiner Wandung Eintrittsöffnungen
2 für die Luft und Austrittsöffnungen 3 für die Verbrennungsgase auf und führt den
achsial verschiebbaren Kolben 4. Wie aus Figur 1 ersichtlich, sind die Eintrittsöffnungen
in einer Ringzone und die Austrittsöffnungen in zwei Ringzonen angeordnet.
-
Der Kolben 4 weist auf seinen Stirnflächen 5 und 6 jeweils einen zylindrischen
Ansatz 7 bzw. 8 auf, die einen kleineren Durchmesser als der Kolben haben.
-
Der Kolben ist in einem Zylinderraum 9 geführt, den er in die Brennräume
10 und 11 unterteilt.
-
Die zylindrischen Ansätze tauchen in allen ihren Stellungen in die
Zylinderbohrungen 12 bzw. 13 ein, die wie aus dem Blockschaltbild der Figur 2 ersichtlich
ist, über Hydraulikleitungen zu einem Hydromotor führen.
-
Die zylindrischen Ansätze stehen mit ihren Stirnflächen gegen das
hydraulische Medium in den Leitungen an.
-
Zum Abdichten gegen das hydraulische Medium weisen die zylindrischen
Ansätze Dichtungen 14 beziehungsweise 15 auf.
-
Der Kolben 4 kann zum Abdichten der Brennräume ebenfalls Dichtungen
aufweisen, die mit 16 beziehungsweise 17 bezeichnet sind.
-
Der Kolben 4 weist -weiterhin Kanäle 18 und 19 auf, die von seiner
Mantelfläche ausgehen und in Bohrungen 20 beziehungsweise 21 der zylindrischen Ansätze
übergehen.
-
Diese Bohrungen 20 beziehungsweise 21 laufen in die Mantelflächen
der zylindrischen Ansätze aus.
-
Die Mündungen der Kanäle 18 beziehungsweise 19 auf der Zylinderfläche
des Kolbens 4 sind in zwei Zonen 22 beziehungsweise 23 äqidistant, das heißt kranzartig
angeordnet.
-
Diese kranzartige Anordnung ist auch für die Mündungen der Bohrungen
20 und 21 getroffen , die in den Zonen 24 beziehungsweise 25 der zylindrischen Ansätze
angeordnet sind.
-
Die Brennräume weisen koaxial zu den zylindrischen Ansätzen
gegenüberliegend-zu
den Stirnflächen des Kolbens jeweils eine toroidförmige Ausnehmung 26beziehungsweise
27 auf, in der ebenfalls kranzartig die Düsen 28 beziehungsweise 29 zum Einspritzen
des Brennstoffes angeordnet sind.
-
In der Wandung des Zylinders sind im Bereich der Brennräume Magnetfeldsonden
30 beziehungsweise 31 angeordnet, die zur Steuerung der Einspritzdüsen bzw. der
zusätzlichen Zündeinrichtungenin Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens dienen.
-
Die Funktionsweise des Freikolbenmotors nach Figur 1 ist folgende:
Entweder wird den Brennräumen über die Bohrungen und die Kanäle des Kolbens und
der zylindrischen ansätze Luft bzw. Gemisch zugeführt.Im ersten Falle wird über
die Düsen Brennstoff eingespritzt, wobei eine Selbstzündung eintritt bzw. eine Zündung
durch zusätzliche nicht dargestellte Zündeinrichtungen (Zündelektroden) erfolgt.In
der in Figur 1 gezeigten Stellung des Kolbens ist im Brennraum 10 die luft bzw.
das Gemisch aus Luft und Brennstoff praktisch auf das Volumen des toroidförmigen
Raumes 26 verdichtet.
-
In dem anderen Brennraum 11 befinden sich Verbrennungsgase, die über
die Öffnungen3 in der Wandung des Zylinders nach außen treten. Die Kanäle des Kolbens
stehen mit den Offnungen 2 des Zylinders in Verbindung, so daß verdichtete Luftbzw.
verdichtetes Gemisch über die Kanäle 18 und die Bohrungen 20 in den Brennraum 11
strömt und die Verbrennungsgase aus dem Brennraum verdrängt werden.
-
In der in Figur 1 dargestellten Stellung des Kolbens wird dieser nach
links getrieben.
-
Durch diese Bewegung des Kolbens werden die Öffnungen 2 in der Wandung
des Zylinders gesperrt und die verdichtete Luftbzw. das Gemisch in dem Brennraum
11 weiter verdichtet.
-
Sobald der Kolben eine vorgebene Stellung erreicht hat, gibt die Magnetfeldsonde
ein Steuersignal an die Düsen 28 zum Einspritzen des Brennstoffs bzw. an die Zündeinrichtungen
zum Zünden. Brennstoff einspritzen.
-
Die Mündung der Kanäle und Bohrungen 18 beziehungsweise 20 werden
durch die weitere Bewegung des Kolbens in die andere Richtung gesperrt.
-
Sobald der Kolben seine linke Endstellung erreicht hat, entspricht
der Zustand in der Brennkammer 11 dem aus Figur 1 ersichtlichen Zustand der Brennkammer
10.
-
Der Kolben macht somit eine hin- und hergehende Bewegung, die sich
auf das hydrauliche Medium überträgt , wodurch der Hydromotor ( Figur 2 ) bzw. eine
Turbine angetrieben wird.
-
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild mit dem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor.
-
Dieser ist in Figur 2 mit 33 bezeichnet. Von ihm führen die Hydraulikleitungen
34 und 35 zu dem Hydromotor 36.
-
In den Hydraulikleitungen ist ein Kühler 37 angeordnet.
-
Der Hydromotor arbeitet auf die Welle 39 eines Antriebs zum Beispiel
eines Kraftfahrzeuges ( nicht dargestellt ).
-
Dem Hydromotor ist ein aufschaltbarer Druckspeicher 40 nachgeordnet.
Von
der Hydaulikleitung 34 führt von einem Abzweig 41 eine Hydraulikleitung 42 zu dem
Startaggregat 43, das über eine Hydraulikleitung mit dem Abzweig 44 mit der Hydraulikleitung
35 verbunden ist.
-
Das Startaggregat 43 besteht aus dem auf Motor- bzw. Pumpenbetrieb
umsohaltbaren Hydraulikaggregat 46 und der Lichtmaschine 47 , sowie dem Akkumulator
48.
-
Beim Starten des Freikolbenmotors arbeitet die Lichtmaschine als Motor
, wird von dem Akkumulator gespeist und treibt das auf Pumpenbetrieb umgeschaltete
Hydraulikaggregat 46 an, das den Freikolbenmotor anwirft.
-
Nach dem Starten des Freikolbenmotors schaltet das Hydraulikaggregat
auf Motorbetrieb um, treibt die Lichtmaschine an, die den Akkumulator lädt.
-
Beim Bremsen des Kraftfahrzeuges arbeitet der Hydromotor als Pumpe
und fördert hydraulisches Medium in den Druckspeicher 49 dessen Energie beim Beschleunigen
dem Hydromotor wieder zugeführt wird.
-
Der Freikolbenmotor weist weiterhin einen Verdichter 50 für die Luft
und einen Speicher 51 für die verdichtete Luft auf, die den Brennräumen zugeführt
wird.