DE4316055C1 - Freikolbenmotor zur Fluidstromerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor, insbesondere für den instationären Betrieb wie z. B. in Kraftfahrzeugen.

Bekannte Freikolbenmotoren dieser Art weisen bei großem Kol­ benvolumen geringe Leistungsdichten auf.

Aus der DE-OS 14 51 662 ist ein mit einer ringförmig ge­ stalteten Brennkammer ausgestatteter Motor bekannt, die einen Kolben aufweist, der über die Brennkammer und das Gehäuse axial hinaus verlängert ist, und dort Verdichterarbeit leistet. Mit einer Aushöhlung in der Kolbenmitte, vorzugsweise konisch, sol­ len einerseits sehr hohe Frequenzen und andererseits ein kon­ stantes Ausströmen des Mediums möglich sein. Durch Überströmka­ näle gelangt vorverdichtetes Gas aus den innenliegenden Räumen - mit der Funktion eines Spülgebläses bei einer Querstromspülung - in die außenliegenden Brennkammern, separat gesehen wie bei einem Zweitaktmotor.

Die DE 30 29 287 C2 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Mehrkammer-Zylinder mit darin angeordneten freifliegenden sym­ metrischen Stufenkolben, welcher drei auf einer gemeinsamen Kolbenstange angeordneten Kolbenstufen aufweist. Auf beiden Sei­ ten der mittleren Kolbenstufe befindet sich je eine Vorverdich­ terkammmer, während die beiden äußeren Kolbenstufen jeweils mit ihrer axial innen liegenden Seite eine Brennkammer begrenzen. Jede der Brennkammern ist mit ihrer benachbarten Vorverdichter­ kammer über einen Kanal verbindbar, wobei die Kolbenstange als Kolbenschieber zum Öffnen und Schließen der dortigen Kanäle ausgebildet ist. Im Betrieb fliegt der dortige Stufenkolben durch wechselseitige Beaufschlagung der Brennkammer frei zwi­ schen Gaspolstern hin und her.

In der DE-OS 35 18 982 A1 wird von einer Verlegung des Brenn­ raums ausgegangen, wobei die beiden Vorverdichterkammern an den gegenüberliegenden Seiten der anderen Kolbenstufe liegen und einen Verbindungskanal innen liegend zwischen den beiden axial außen liegenden Kammern aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Freikol­ benmotor für eine Fluidstromerzeugung zu schaffen, der eine kurze Kolben- bzw. Motorbaulänge sowie eine hohe Spülungsquali­ tät aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1.

Mit zentral angeordnetem Motorzylinder und endseitig angeord­ neten Vorverdichterräumen, die das 1,5fache Hubvolumen der Brennräume aufweisen und über einen Abgasturbolader mit ca. 0,2 bar aufgeladen werden und damit die zweifache Spülmenge bereit­ stellen, wird durch in schräge Nuten der Hülse verdrallte Spül­ luft, unter hoher Energieausnutzung eingeleitet, wodurch thermo­ dynamische Prozesse begünstigt werden. Dabei weisen alle Zylin­ derräume strömungstechnisch optimierte Gestalt auf, derart, daß Toträume bei der Spülung und Turbulenzen beim Einströmen in die Motorzylinder minimiert sind, was auschlaggebend für die Güte des Motors ist. Mit dafür verantwortlich zeichnet sich der hohe Spüldruck von 6 bis 4 bar, der somit nur geringe Rückströmungen vom Motorzylinder in den Vorverdichterraum zuläßt, da der Aus­ laßschlitz zudem zuerst öffnet. Dies entspricht bei etwa adia­ bater Zustandsänderung einem Heranfahren des Verdichterzylinders von bis zu 5 cm an den Steg mit der integrierten Einspritzanla­ ge, die in der Halbtorus-Form der Stege Platz finden. Auch die dazugehörigen Hubscheiben, die vom Motorzylinder druckluftbetä­ tigt den Einspritzdruck erzeugen, können dort integriert werden. Die Gemischbildung bzw. Einspritzung muß bei Freikolbenmotoren verhältnismäßig sehr früh erfolgen, so daß in dem Motorzylinder ab ca. 20 bar - bei maximalem Verdichtungsverhältnis von ε = 18 entsprechend einer Näherung des Kolbens von 0,5 cm an den An­ schlag liegen ca. 40 bar Kompressionsdruck vor - die Kraft­ stofförderung beginnen soll. Der Druck vor Schließen der Auslaßöff­ nung ist mit etwa 2 bar einkalkuliert. Der Zünddruck wird sich bei über 100 bar bewegen.

Die Leistungsentnahme erfolgt über einen von einer Vorverdich­ terhülse umgebenen und in einem mit einer Flüssigkeit gefüllten Rohr verlaufenden Stempel, dessen Fluidstromerzeugung vorzugs­ weise auf zwei Freistrahlturbinen geleitet werden kann.

Das Querschnittsflächenverhältnis von Verbrennungskolben über den als Verdrängungskolben ausgebildeten Pumpenstempel bis hin zum Strahl beträgt etwa 5 : 1 : 1/20, um damit überhaupt eine Bewe­ gung des Kolbens zuzulassen. Die Trägheit des Fluidums, die nach dem oberen Totpunkt am größten ist, bewirkt eine längere Ver­ weildauer des Kolbens im oberen Umkehrbereich und hat wesentli­ chen Einfluß auf Güte des induziertem Kreisprozesses, was sich im Verbrauch widerspiegelt.

Mit dem entsprechenden Düsenquerschnitt werden die für eine nachgeschaltete Peltonturbine gültigen maximalen Strömungsge­ schwindigkeiten erreicht und somit das höchste Leistung/Volu­ menstromverhältnis. Diese Turbinenart ist vorzugsweise aufgrund des günstigen Wirkungsgradverlaufs über einen großen Volumen­ stromstreubereich und aufgrund fehlender Rückwirkung zum Motor als Antrieb zu wählen. Dadurch und mit einer pro Antriebsrad separat angeordneten Leistungsübertragung entfällt eine Kupplung sowie ein Differentialgetriebe, ein einseitiges Durchdrehen der Fahrzeugräder wird verhindert.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß bei geringstmöglichem Kolbenvolumen und thermodynamisch günstigen Bedingungen eine hohe Leistungsdichte bei einer niedrigen Hub­ frequenz erreicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung eines Anführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch Motorgehäuse und Kolben mit Rohrleitung und Einspritzsystemen.

Gemäß Fig. 1 ist der Kolben (20) mit Hülsen (22/23) versehen, die die Brennräume (13) von den Pumpenstempeln (28) abschirmen. Darin verlaufend sind Pumpenzylinder (32/33) mit Fluidumfüllung (30) angeordnet, die die Pumpenstempel umgeben. Die zur Verbren­ nung notwendige Luft wird über Mambraneinlaßventile (10) über einen Abgasturbolader in die Vorverdichterräume (11) befördert bzw. vom Verdichterzylinder während des Auswärtshubes angesaugt und nach Vorverdichtungshub über Drallkanäle (12) in den Brenn­ raum (13) geleitet. Während des Motorzylinderverdichtungshubes wird der Brennstoff über selbsttätige Einspritzsysteme (14) zu­ geführt. Die Abgase entweichen durch das Überfahren der Auslaß­ schlitze (15) im Motorgehäuse (1) gegen Ende des Expansionshubs. Die Bezugszeichen (4) und (5) kennzeichnen die halbturosförmi­ gen Stege zur Begrenzung der Brennräume (13).

Für einfache und kostengünstige Herstellung und Demontage bzw. Wartung besteht der Motorblock aus zwei identischen Halbschalen, die jeweils pro Brennraumseite eine Einspritzdüse aufnehmen. Dabei sind die beiden Rohrverzweigungen über verschraubte Brücken von dem endseitig offenem Gehäuseblock zu trennen. Es ist aber auch eine mittige Trennung des Motorblocks auf der Höhe der Auspuffschlitze möglich, sowie eine weitere nach den Stegen und ab dann auch halbschalig, um den Richtungsproblemen im Mo­ torzylinder noch besser zu begegnen.

Claims (4)

1. Freikolbenmotor für eine Fluidstromerzeugung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit

• - einem durch eine Bohrung im Motorgehäuse (1) gebil­ deten Zylinder,
• - in welchem zwei Pumpenzylinder (32, 33) zur Erzeugung des Fluidstroms koaxial angeordnet sind,
• - und ein Kolben (20), der einstückig mit in den Pumpen­ zylindern (32, 33) verschiebbaren Pumpenstempeln (28, 29) ausgebildet ist, sowie mit Hülsen (22, 23), welche die Pumpenzylinder (32, 33) umgreifen,
• - wobei der Kolben (20) mit halbtorusförmigen Stegen (4, 5) Brennräume (13) bildet, welche durch die Stege (4, 5) von Vorverdichterräumen (11) abtrennbar sind, die andererseits durch halbtorusförmige Endabschnitte der Hülsen (22, 23) begrenzt werden.

2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorverdichterräume (11) etwa das 1,5 fache Hubvolumen der Brennräume (13) aufweisen.

3. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die halbtorusförmigen, Stege (4, 5) Ausnehmungen für Hubscheiben von selbsttätigen Ein­ spritzanlagen (14) aufweisen, welche mit dem Motor­ zylinder einen Winkel von ca. 30° bilden.

4. Freikolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden des Kolbens (20) den halbtorusförmigen Stegen (4, 5) entsprechend abgerundet ist.