DE886827C - Freikolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Freikolben-Brennkraftmaschine

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DE886827C
DE886827C DEK9469A DEK0009469A DE886827C DE 886827 C DE886827 C DE 886827C DE K9469 A DEK9469 A DE K9469A DE K0009469 A DEK0009469 A DE K0009469A DE 886827 C DE886827 C DE 886827C
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Germany
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internal combustion
engine
piston
combustion engine
compressor
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Application number
DEK9469A
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English (en)
Inventor
Willi Kastert
Original Assignee
Willi Kastert
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B69/00Internal-combustion engines convertible into other combustion-engine type, not provided for in F02B11/00; Internal-combustion engines of different types characterised by constructions facilitating use of same main engine-parts in different types
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/06Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the working fluid being generated in an internal-combustion gas generated of the positive-displacement type having essentially no mechanical power output
    • F02C5/08Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the working fluid being generated in an internal-combustion gas generated of the positive-displacement type having essentially no mechanical power output the gas generator being of the free-piston type

Description

  • Frei,kolben-Brennkraftmasdune Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine,. deren Kolben sich frei bewegen, wobei sie ihre Arbeit direkt ohne Umweg über eine Kurbelwelle an einen Verdichter abgeben. Bekanntlich werden Freikolben-Brennkraftmaschinen zur Verdichtung von Luft (Freikolbenkompressoren) oder zur Erzeugung von Treibgas für Gasturbinenanlagen (Freikolbeiitreibgaserzeuger) benutzt.-Die meisten bekannten Freikolben-Brennkraftmaschinen bestehen aus einem in der Mitte angeordneten Dieselmotorteil mit gegenläufigen Kolben, die starr mit den Kolben zweier beiderseits des Motorteils angeordneten Verdichterteilen verbunden sind, Diese Bauarten benötigen besondere Einrichtungen, uni die Kolben nach dem Arbeitshub wieder zum inneren Totpunkt zurückzuführen. Zu diesem Zweck benutzt eine Bauart einen Teil der verdichteten Luft, während-bei einer- anderen Bauart' besondere Totstufenkolben une Zylinder eingebaut sind, in denen bei jedem Arbeitshub die für die Rückführung nötig . Arbeit aufgespeichert wird. Es sind weiter Bauarten von Freikolben-Brennkraftmaschinen bekanntgeworden, bei denen ein Verdichterteil in der Mitte und je ein Motorteil zu beiden Seiten angeordnet sind. Die meisten der genannten Bauarten benötigen, um ein synchrones Arbeiten der -gegenläufigen Maschinenkörper. zu sichern, besondere Synchronisiergetrieb# oder Gestänge.- Sowohl die Rückführeinrichtungen als auch die Synchronisiergetriebe verursachen durch zusätAliche Massenkräfte und Reibung erhebliche Verluste. Bei einer Bauart werden die angeführten Verluste ' zwar dadurch vermieden, daß die organisch verbundenen Verdichter- und Motorzylinder im Gegenlauf mit den ebenfalls organisch verbundenen Verdichter- und Motorkolben arbeiten. Diese Anordnung er-gibt aber infolge der für die Steuerung des Gasaustrittes und für die Einspritzung desBrennstoffes notwendigenS#hlitze in den sich axial hin und her bewegenden Motor-Zylindern sehr zerklüftete Verbrennungsräbnie, die sich für eine gute Gemischbildung und Verbrennung nachteilig auswirken können. Auch die Undichtigkeitsverluste und die Beanspruchung der Motorzylinder sind bei dieser Bauart hoch.
  • Allen bisher bekannten Bauarten fehlt die Mög- lichkeit, zwecks Anpassung an die Massenkräfte, und die jeweiligen Belastungen -der Maschine das Hubverhältnis der beiden Maschinenkürper während des Betriebes zu ändern und eine Phasenverschiebung ihrer Bewegungen zu erzielen, Die Erfindung löst diese Aufgabe- dadurch, daß bei einer Freikolben-Brennkraftmaschine mit einem zwischen zwei Motorteilen angeordneten Verdichterteil und mit zwei axial beweglichen, mechanisch nicht gekuppelten Maschinenkörpern der eine .M, aschinenkörper aus einem V.erdicIfterzylinder -und zwei unmittelbar mit diesem organisch verbun - - denen Motorkolben, der Zweite Maschinenkörper aus einem doppelt wirkenden Verdichterkolben und zwei weiteren Motorkolben besteht und je ein Motorkolben des einen Maschinenkörpers mit je einem Motorkolben des anderen Maschinenkörpers in zwei feststehenden Motorzylindern gegenläufig arbeiten. Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, daß der Verdichterkolben mit den bei-den äußeren Motorkoll),en durch achsenmittig angeor-dnete Kolbenstangen gekuppelt ist.
  • Dadurch, daß die bei-den Motorteile-abwechselnd und gegeneinander arbeiten, ist eine besondere Rückführeinrichtung überflüssig.- Ein synchrones Arbeiten der beiden Maschinenkärper ist dänn gewährleistet, wenn sich. die Hübe umgekehrt -verhalten wie die Massen einschließlich der Reibungswiderstände. Das richtige Hubverhält nis wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Hübe -des einen Maschinenkörpers durch eine Steuereinrichtung, beispielsweise einen Kurbeltrieb, konstant-.gehalten wer-den, während die Hübe des anderen Maschinenk#rpers verändert werden. Dies kann beispielsweise dadurch gescliehen3 daß 'an- den äußeren Totpunkten des Maschinenkörpers ver.-stellbare Bremszylind-er angeordnet sind, die --während des Betriebes--automatisch oder von H and verstellt werden. Zweckmäßigerweise läßt man-,-den Ver-dichterzylinder und die mit ihm -gekuppelten .ML.oto#k-oll#en mit konstan-tenfluÜben arbeiten,- #Um nach beidenRichtungen synime#trische'Bewegüngen zu erhalten, verwendet man- beispielsweise. als Kurb#Itrieb- eine Kurbelschleife und--Ve-rbinde-t die Kurliel in - it einer rotierendeh Musge. Eine--Plias.enverschiebung der Hubbewegungen # wird- nach *der Erfindung, dadurich i#i-zielt, daß 'de.r 'Brennstoffe einslJritz- -oder Zündzeitpunkt in an sich. bekarinter Weise verstellt wird In weiterer Ausbildun-g--d#r Erfindung -sind7 zwischen dem Verdich-ferteil tind den beiden Motorteilen Ringräüme#- angeordnet, die zur Speicherung derlm-Verdichterteil verdichteten Luft dienen und aus denen die Verbrennungsluft für die Motorteile entnommen werden kann. Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich, wenn die Ringräume -durch zwei beiderseits des Verdichterzylinders angeordnete und mit diesem organisch verbundene Kränze gebildet werden, die gleichzeitig als Träger beider Maschinenkörper im Maschinengehäuse gleitend gelagert sind. Um Druckunterschiede in -den Ringräumen zu verhindern, die ein ungleichmäßiges Arbeiten der Maschine verursachen könnten, ist erfindurigsgemäß zwischen diesen Räumen eine druckausgleichende Verbindung angeordnet, der auch die verdichtete Luft entnommen werden kann, wenn die Freikolben-Brennkraftmaschine als Kompressor benutzt. wird. In diesem"Falle wird den Motor-Zylindern nur die' Luftmenge zugeführt, die zur Spülung und Aufladung der Zylinder notwendig ist. Dient die Maschine aber als Treibgaserzeuger für eine nachgeschaltete Kraftmaschine, beispielsweise eine Gasturbine, so kann entweder die ganze verdichtete Luftmenge zum Spülen, Kühlen und Aufladen-der Motorzylinder Z> benutzt - werden, oder es -kann eine Teilmenue der Luft aus den Ringräumen entnommen, in bekannter Weise in -einem von den Abgasen der Turbine erhitzten Wärinetauscher-vo,rz,ewärmt und mit den von den Motorteilen erzeugten Treibgasen gemischt der Turbine zugeleitet werden. Wenn die Temperaturgrenze der Turbine noch nicht erreicht ist, kann aifch die .vorgewärmte Luft in einem zwischengeschaltetell Erhitzer weitererwärmt werden. Zu einer besonders ' leichten und raumsparenden Bauart gelangt man, wenn der Wärmetauscher erfindungsgemäß zwischen den beiden Motorteilen angeordnet als druckausgleichende Verbindung benutzt wird und mit der Freikolben-Brennkraftmaschine zu einem einheitlichen Masdhineiiblock zusammengebaut ist.
  • Die Erfindung sei-an Hand der Ausführungsbeispiele nach den Abb. i und :2 erläutert. Die Abb. i der Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Freikolbenkömpressor für die Erzeugung von Druckluft, Die Abb. 2 zeigt den Erfindungsgegenstand in Ansicht mit angebautem Wärmetauscher als Treibgaserzeuger einer tasturbirtenanlage. In der Abb. i ist i das Gehäuse der Brennkraftmaschine mit zwei feststehenden Motorzylindern 2, 2'. In dem Gehäusei ist ein Verdichterzylinder 3 mittels zweier Gleitkränze4, 4# axial beweglich gelagert. 11it dem Verdichterzylinder3 sind -zwei Motorkolbeen 5, 5' ' organisch verbunden. In den Stirnwänden des. Verdichterzylinders 3 sind Saugventile6, 6' sowie Druckventile.7, 7' angeordnet. In den Motorzylindern 2, 2' arbeiten noch zwei Gegenkolben8, 8',-. die durch zwei Kolbenstangen 9, g' mit - dem Verdichterkolben i o starr gekuppelt sind. Die M . otorzylinder27, 2' besitzen an den. inneren gnden Einlaßsteuerschlitze ri, ii' sowie an den äußeren Enden Auslaßsteuerschlitze 12, 12'. Die Hübe des Verdichterzylinders werden durch eine Kürbelschleife 13, die mit dem Verdichterzylinder starr \---rbunden ist, sowie einer Schwungscheibe 14 mit Kurbelzapfen 15 konstant gehalten. An den äußeren Motorkolben 8, 8' sind zwei kleinere Bremskolben 16, 16' angebracht, die vor Erreichen der äußersten Totpunktlagen in die beiden Bremszylinder 17 17' eintauchen und die in diesen Zylindern befindlichen Albgase mehr oder weniger hoch verdichten. Die Bremszylinder ZD 17, 17' sind von außen in axialer Richtung einstellbar, so daß durch Verstellung dieser Zylinder, was von Hand oder automatisch 'erfolgen kann, die Hübe der drei miteinander gekuppelten Kolben 8, io und S' verändert -,verden können. Die Gleitkränze 4, 4! sind gegen das Qehäuse i z. B. in bekannter Weise mittels Kolbenringe abgedichtet und bilden beiderseits des Verdichterzylinders 3 lUn-räume 18, 18', die durch eine Leitung ig dauernd miteinander verbunden sind. In die Leitung ist ein Speicherbehälter :2o eingebaut, der eine Entnahmeöffnung 2 1 besitzt. Die Arbeitsweise der dargestellten Freikolben#Brennkraftmaschine ist folgende: Durch wechselseitiges Einblaseli von Druckluft durch die Anfahrventile 22" 22' werden die Motorkolben 5, 8 einerseits und 5', S' andererseits abwechselnd auseinander getrieben und wieder zueinander geführt. Gleichzeitig arbeitet der Verdichterkolben io doppelseitig in dem sich axial in entgegeng-esetzterRichtung bewegendenVerdichterzylinder 3. Durch die Brennstoff düsen 23, 23' wird nun in die in den Motorzylindern hochverdichtete Luft mittels einer nicht gezeichneten Brennstoffpumpe Brennstoff eingespritzt. Die beiden Motorteile arbeiten nun im Dieselzweitaktverfahren. Die Anfahrluft wird abgestellt. Die Versorgung der Motorteile mitVerbrennungsluft erfolgt jetzt durch den Verdichterteil, Bei jedem Hub wird entweder auf der einen oder der anderen Seite des Ver-(lichterteils Luft aus der Atmosphäre durch die Öffnungen:24 oder :2 ' sowie die Saugventile6 4 oder 6' in den Verdichterzylinder3 gesaugt. Beim i u 'ichste ii Hub wird dann die Luft verdichtet und durch die Druckventilt 7 oder 7' in die Ringräume 18 bzw. 18' gedrückt. Sobald die Einlaßschlitze i i oder i i' durch die Kolben 5 oder 5' freigegeben werden, strömt ein Teil der vorverdichteten Luft in die Motorzylinder 2 bzw. :Z, drückt die Verbrennungsgase durch die Auslaßschlitze 12 bzw. 12' in die Abgaskammern 25 bZW. 25' und spült die Motorzylinder aus. Die nicht für die Spülung und die Verbrennung benötigte Luftmenge strömt durch die Leitung ig in den Druckspeicherbehälter 20, von wo sie durch den Entnahmeanschluß 21 den Verbraucherstellen zugeleitet wird. In Abb. 2# ist i das Gehäuse der Freikolben-Brennkraftmaschine mit den Ansaugöffnungen 24, :2,#. Die Ausgleichsleitung ig verbindet, wie in Abb. i gezeigt, die Ringräume 18, 18'. In Abb. 2 ist in die Ausgleichs-1.eitungig ein Wärmetauscher26 eingebaut. Die aus den Abgaskammern:25, 25' austretenden unter Druck stehenden Treibgase werden durch die beiden Leitungen:27, :27' der Gasturbine 28 zugeführt, die in diesem Falle die Nutzleistung erzetigt und beispielsweise einen Stromerzeuger 2#,) antreibt, Die aus der Turbine 28 austretenden entspannten Abgase besitzen noch einen großen Wärmeinhalt. Durch die Leitung 3o werden diese Abgase dem Wärmetauscher 26 zugeführt, wo sie einen möglichst großen Teil ihrer Wärme an die verdichtete Luft übertragen, um dann durch die Leitung 31 entweder in die Atmosphäre abgeführt oder an-deren Wärmeverbrancherstellen, z. - B. Warmwasserbereitern, zugeführt zu werden. Die verdichtete und vorgewärmte Luft strömt entweder durch die Leitung 32 der Nutzleistungsturbine:28 direkt zu, oder sie wird, wie in Abb. 2 gestrichelt angedeutet, in einem Lufterhitzer 33 weitererhitzt, ehe sie der Turbine zugeführt wird.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Freikolben-Brennkraftmaschine mit einem zwischen zwei Motorteilen angeordneten Verdichterteil und mit zwei axial beweglichen, mechanisch nicht gekuppelten Maschinenkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maschinenkörper aus einem Verdichterzylinder und zwei unmittelbar mit diesem organisch verbundenen Motorkolben, der zweite Maschinenkörper aus einem doppelt wirk-,enden Verdichterkolben und zwei weiteren Motorkolben besteht und je ein Motorkolben des einen Maschinenkörpers mit je einem Motorkolben des anderen Maschinenkörpers in zwei feststehenden Motorzylindern gegenläufig arbeiten.
  2. 2. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben mit den beiden äußeren Motorkolben durch achsenmittig angeordnete Kolbenstangen gekuppelt ist. 3. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hübe des aus dem Verdichterzylinder und zwei Motorkolben bestehenden Maschinenkörpers durch eine Steuereinrichtung, beispielsweise eine Kurbelschleife mit rotierender Schwungmasse, konstant gehalten und die Hübe des zweiten, aus dem Verdichterkolben und zwei Motorkolben bestehenden Maschinenkörpers durch Steuereinrichtungen, beispielsweise automatisch oder von Hand verstellbare Bremszylinder, geregelt werden. 4. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen der Hubbewegungen der beiden Maschinenkörper durch Verstellen des Brennstoffeinspritz- oder Zündzeitpunktes gegeneinander verschoben werden. 5. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdichterteil und den beiden Motorteilen Ringräume angeordnet sind, die zur Speich-erung der im Verdichterteil verdichteten Luft dienen. 6. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringräume durch zwei beiderseits des Verdichterzylinders angeordnete und mit diesem organisch verbundene Kränze gebildet werden, Z> t' die gleichzeitig als Träger beider Maschinenkörper im Maschinengehäuse gleitend gelagert sind. 7. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Ringräumen eine druck--ausgleichen-de Verbindung besteht. 8. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieDrücke in denbeidenRinigräumen über einen Wärmetauscher ausgeglichen werden. g. Freikolben#Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher mit der Brennkraftmaschine zu einem einheitlichen Maschinenblock zusammengebaut ist. Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 656:286; USA.-l'atentschrift Nr. 2 5.26 384.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1021205B (de) * 1953-04-30 1957-12-19 Schmidt Paul Freiflugkolbenverdichter als Drucklufterzeuger fuer eine Luftturbine
DE1246314B (de) * 1958-01-23 1967-08-03 Stewart Warner Corp Freikolbenmaschine
DE202006018098U1 (de) * 2006-11-27 2008-04-10 Jung, Nadine Energiewandlersystem

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE656286C (de) * 1934-09-07 1938-02-03 Raul Pateras Pescara Brennkraftanlage mit Treibgaserzeuger, insbesondere Flugkolbentreibgaserzeuger
US2526384A (en) * 1939-02-01 1950-10-17 Moore Inc Machine having free pistons and cylinders without mechanical connecting-rod-crank couplings

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