EP0224142A2 - Freikolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

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Publication number
EP0224142A2
EP0224142A2 EP86115807A EP86115807A EP0224142A2 EP 0224142 A2 EP0224142 A2 EP 0224142A2 EP 86115807 A EP86115807 A EP 86115807A EP 86115807 A EP86115807 A EP 86115807A EP 0224142 A2 EP0224142 A2 EP 0224142A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
charge air
pump
liquid
cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP86115807A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0224142A3 (de
Inventor
Ernst Marcus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0224142A2 publication Critical patent/EP0224142A2/de
Publication of EP0224142A3 publication Critical patent/EP0224142A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/04—Engines with variable distances between pistons at top dead-centre positions and cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby

Definitions

  • the present invention relates to a free-piston internal combustion engine, with at least one cylinder with a double-acting working piston guided longitudinally displaceably therein, and with a charge air pump.
  • Free-piston internal combustion engines are known and are preferably used for electrical energy generation.
  • the invention solves the problem of creating a free-piston internal combustion engine in which the cylinder for forming a charge air reservoir has an outer jacket, the charge air pump has a double-acting compressor piston which is connected to the working piston via a piston rod arrangement is which charge air pump is connected to the charge air reservoir via a charge air line.
  • the cylinder 1 generally shows a cylinder 1, a liquid piston pump 2 and a charge air pump 3.
  • the reference number 60 shows a wind boiler, and a turbine is indicated by the reference number 66.
  • the preferred embodiment of the free-piston internal combustion engine contains only one cylinder 1, but several cylinders 1 operating in parallel are also conceivable for larger outputs, for example.
  • the cylinder 1 has a cylinder wall 23 and an outer jacket 11. In between, a jacket space serving as charge air reservoir 12 is formed. In this charge air reservoir 12, the cylinder wall 23 with the outer casing 11 connecting cooling fins 53 are arranged.
  • the preferred embodiment of these cooling fins 53 is shown in FIGS. 3 and 5. These cooling fins 53 are annular disks in which recesses 93 are present.
  • cooling fins 53 The embodiment of these cooling fins 53 shown is the preferred embodiment, and other configurations are also conceivable. The essential thing is that these cooling fins 53 the cylinders Connect wall 23 to the outer jacket 11.
  • the cylinder 1 is provided with outlet slots 57.
  • the arrangement of the same is shown schematically in FIG. 4.
  • the outlet slots 57 run parallel to one another and parallel to the cylinder axis. They are arranged in a pattern, as shown in FIG. 4.
  • the outlet slots 57 have different longitudinal dimensions.
  • the middle outlet slot 57 has the greatest longitudinal expansion.
  • the delivery slots located on both sides of the middle outlet slot 57 are progressively shorter, so that the two outermost outlet slots of the pattern have the smallest longitudinal extent.
  • the cylinder 1 is guided in a longitudinally displaceable manner.
  • double-acting piston 4 arranged.
  • Numeral 9 denotes the first combustion chamber
  • numeral 10 denotes the second combustion chamber.
  • the first combustion chamber 9 is connected via an inlet valve 20 designed as a non-return valve and the second combustion chamber 10 via a further inlet valve 21 designed as a non-return valve to the jacket space serving as charge air reservoir 12.
  • the axial extent of the piston 4 arranged in the cylinder 1 is obviously longer than the longitudinal extent of the longest of the outlet slots 57.
  • the axial length of the working piston 4 is, taking into account the axial length of the cylinder 1, the minimum and maximum piston stroke, the desired compression in the combustion chambers 9 and 10 and obviously the dimensions of these combustion chambers.
  • the working piston 4 is sealed at both ends by piston rings 18, 19 against the cylinder wall 23. Although only one piston ring 18, 19 schematically is drawn, it is obvious that a set of piston rings of known arrangement may be present.
  • a catalytic converter In the combustion chamber 9 there is a catalytic converter, generally designated 15, and in the combustion chamber 10, a catalytic converter generally designated 17.
  • These catalyst devices 15, 17 are lattice-shaped and consist of "cermet" or another, heat-resistant and chemically inert substance on which a substance acting as the actual catalyst, for example platinum, is applied.
  • a substance acting as the actual catalyst for example platinum
  • the cylinder end sections and the end faces of the piston are curved, but can also have other shapes.
  • the working piston 4 is firmly connected to a piston rod 7. This runs in a sealed manner through the cylinder wall 23 and the jacket 11 and is firmly connected to the piston 5 and the liquid pump 2.
  • This liquid pump 2 has two inlet valves 24, 26 and two outlet valves 25, 27.
  • the piston 5 of the liquid pump is thus also a double-acting piston.
  • the piston 5 of the liquid pump 2 is fixedly connected to the compressor piston 6 of the charge air pump 3 via a further piston rod 8. Obviously, the passage points of the piston rod 8 are sealed here by the walls of the liquid piston stem 2 and the charge air pump 3.
  • An air filter 32 is connected upstream of the charge air pump 3.
  • the charge air pump 3 has two intake valves 29, 30 and two exhaust valves 28, 31.
  • the cross-sectional area, ie working surface of the compressor piston 6 of the charge air pump 3, is larger than that of the working piston 4 or, in other words, the compressor piston 6 has one larger diameter than, the working piston 4.
  • the stroke of the two pistons 4, 6 is obviously the same.
  • the cylinder wall 23 has an inner diameter of 4 cm and the outer jacket 11 has an inner diameter of approximately 5.7 cm, and accordingly the diameter of the compressor piston 6 of the charge air pump 3 is approximately 8 cm.
  • the compressor piston 6 thus has a larger diameter than the working piston 4.
  • the liquid piston pump 2 conveys a liquid in a closed circuit, for example water with possible additives for corrosion protection, anti-freeze protection, etc.
  • the liquid conveyed by the piston 5 of the liquid pump 2 flows through the outlet valves 25, 27 into an outlet line 70.
  • This outlet line 70 has three connected to small pumps.
  • the reference number 39 designates the fuel injection pump and the reference numbers 44, 47 designate the lubricant pumps.
  • the fuel injection pump 39 has a piston 40 which is biased by a spring 41.
  • the lubricant pump 44 has a piston 49 biased by a spring 50 and the lubricant pump 47 has a piston 51 biased by a spring 52.
  • the end faces of the three pistons 40, 49, 51 are exposed against the outlet line 70. Your working surfaces are thus subjected to the pressure of the liquid delivered by the liquid piston pump 2.
  • the three pistons 40, 49, 51 become counter to the force their respective springs 41,50,52 shifted.
  • the springs 41, 50, 52 move their respective pistons 40, 49, 51 back to their starting position.
  • a changeover valve 88 is arranged in the outlet line 70, the purpose of which is explained further below.
  • the outlet line 70 runs after the lubricant pumps 44, 47 to a wind boiler 60.
  • the air boiler 60 contains air under pressure or another gas under pressure.
  • the line leading out of the wind chamber 60 is fed to a throttle valve 64, the position of which is controlled by a pressure sensor 63 arranged in the wind chamber 60.
  • the liquid then flows from the throttle valve 64 into a liquid turbine 66.
  • This turbine 66 can be a Pelton turbine, a vane wheel turbine or a Kaplan turbine.
  • the turbine 66 is connected to the turbine shaft 67. Consequently, the linear stroke movement of the piston of the free-piston internal combustion engine is converted into a rotary movement of the turbine shaft during operation.
  • a power generator can now be connected to this turbine shaft 67, for example.
  • a return line 68 connects to the turbine 66, through which the liquid flows back through the changeover valve 88 to the liquid piston pump 2, in order to flow back into the respective working chambers through the inlet valves 24, 26.
  • a closed liquid circuit is therefore present, on the basis of which the piston movement of the liquid piston pump 2 basically rotates the turbine 66 is implemented.
  • the charge air pump 3 draws in the air through the air filter 32, which air enters the working chambers through the inlet valves 29, 30. The air is then conveyed through the movement of the compressor piston 6 through the two outlet valves 28, 31 into the charge air line 16.
  • This charge air line 16 is the main charge air inlet valve 22 designed as a check valve to the charge air reservoir 12, i. the jacket space of the cylinder 1, supplied. The air compressed and delivered by the compressor piston 6 thus enters the charge air reservoir 12.
  • This is equipped with a safety valve 14, a pressure relief valve, which relieves the charge air accumulator if the charge air pressure is too high.
  • the exhaust gases flow through the outlet slots 57, through the oil pan 56 into the exhaust pipe 58, and through the exhaust pipe 62 into the open.
  • the lubricant pump 47 sucks the lubricant from the oil pan and conveys it through the lubricant filter 54, that is, the oil filter to the lubricant storage container 55.
  • the lubricant pump 44 in turn sucks the lubricant from the lubricant storage container 55 and conveys it through line 71 to the various locations to be lubricated Free piston internal combustion engine.
  • the fuel injection pump 39 sucks the fuel through the fuel supply pipe 48 from the fuel storage container, not shown.
  • the fuel injection pump 39 is equipped with a safety valve 74, through which fuel flows back to the fuel supply pipe 48 or to the fuel storage tank if the fuel injection pump 39 has an excessively high delivery pressure.
  • a throttle valve 73 is arranged at the outlet of the fuel injection pump 39. This throttle valve is controlled either by manual actuation or, for fully automatic operation, by a pressure sensor 72 which senses the pressure prevailing in the cylinder chamber of the fuel injection pump 39.
  • the fuel supply line running from the fuel throttle valve 73 branches out and extends to the fuel injection valves 75, 76. These injection valves 75, 76 are controlled by the inlet valve 21, which connects the jacket space 12, i.e. the charge air reservoir, to the second combustion chamber 10. If the inlet valve 21 is open, the injection valve 76 is open and the fuel is injected into the first combustion chamber 9 through the check valve 77.
  • the injector 76 When the valve 21 is closed, the injector 76 is also closed and the valve 75 is open, and the fuel is injected into the second combustion chamber 10 through the check valve.
  • the internal combustion engine has an electrical system for ignition, the ignition being effected via glow plugs 79, 80.
  • the starting cylinder 36 is arranged next to the fuel injection pump 39.
  • the starting piston 37 arranged in the starting cylinder 36 is rigidly connected to the piston 40 of the fuel injection pump 39 via a piston rod 38.
  • the end face of the starting piston 37 is larger than the end face of the piston 40 of the fuel injection pump 39.
  • the starting cylinder 36 is connected to the charge air reservoir 12 of the cylinder 1 via a pipe 33 in which a shutoff valve 34 is arranged.
  • the starting cylinder 36 also has a ventilation valve 35.
  • the piston rod 38 is sealed against the bottom of the starting cylinder 36.
  • Two spring-loaded control arms 86, 87 protrude through the wall of the starting cylinder 36 at a point in the cylinder space which corresponds to approximately 60% of the stroke distance of the starting piston 37 when it moves from left to right according to FIG.
  • These control arms 86, 87 are pivotally supported by springs 43, the pivot points 42 being located outside the starting cylinder 36.
  • These control arms 86, 87 control the valves 34, 35, as will be described in more detail below.
  • the control arms 86, 87 also protrude through slots 46 in the wall of the starting cylinder 36 in the interior thereof. It can thus be seen that when the starting piston 37 moves to the right in FIG. 1, it comes to bear against the control arms 86, 87 and thus causes the same to be deflected.
  • the control arms 86, 87 are pivoted back into their rest position by the springs 43.
  • the outlet line 70 is fed to a changeover valve 88 at a point downstream of the fuel injection pump 39.
  • the changeover valve 88 In the operating position shown, the liquid coming from the fuel injection pump 39 flows through the changeover valve 88 in order to continue to flow against the lubricant pumps 44, 47 and from there ultimately to the turbine 66.
  • the changeover valve 88 is moved into a position in which the liquid after the fuel injection pump 39 can be returned to the liquid piston pump 2, that is to say the lubricant pumps 44, 47 and in particular the turbine 66 are not driven by the liquid.
  • the wind boiler and turbine 66 are omitted. It is thus possible to use the internal combustion engine as a pump drive with the liquid pump 2, the piston 5 of which is firmly connected to the piston 4, so that liquid or even gas can be conveyed by the pump 2, for example.
  • pressurized charge air is stored in the charge air reservoir 12.
  • the charge air present in the charge air reservoir 12 is additionally heated and is therefore at a higher pressure.
  • the pressure mentioned above is sufficient when the charge air is cold.
  • the working piston 4 is located approximately in the middle of the cylinder.
  • the changeover valve 88 has therefore been switched to the position in which the circulating liquid is returned directly from the fuel injection pump 39 to the liquid pump 5.
  • the fuel throttle valve 73 which is arranged at the outlet of the fuel injection pump 39, is then controlled into its open position.
  • the piston 40 of the fuel injection pump 39 is under the action of the spring 41 biasing it in an upper dead center position, i.e. 1 in the left position, the spring 41 is now in the fully expanded state.
  • the vent valve 35 of the starting cylinder 36 which was previously open and during continuous operation of the internal combustion engine, is now closed and at the same time the shut-off valve 34 connecting the interior of the starting cylinder 36 via the pipe 33 to the charge air reservoir 12 is opened.
  • pressurized charge air flows from the charge air reservoir 12 to the starting piston 37 of the starting cylinder 36 and urges it to the right in the figure.
  • the starting piston 37 comes into contact with the two control arms 86, 87.
  • These control arms 86, 87 thus pivot out and cause the shut-off valve 34 to be closed and the vent valve 35 to be opened at the same time.
  • the opening of the ventilation valve has the effect that the starting piston 37 is relieved and, due to the spring 41 of the fuel injection pump 39, is returned to its left position in the FIG.
  • the springs 43 of the control arms 86, 87 lead them back to their starting point, so that the shut-off valve 34 is opened again and the vent valve 35 is closed and the next compressed air can flow from the charge air reservoir 12 to the starting piston 7.
  • the starting cylinder 36 and the starting piston 37 are dimensioned such that the air pressure present in the charge air reservoir 12 is sufficient to actuate the fuel injection pump 39 several times in continuous operation up to a stroke of 60% of the stroke.
  • the cylinder interior of the starting cylinder 36 below the starting piston 37 that is to say in FIG. 1 the cylinder interior lying to the right of the starting piston 37, is connected to the surroundings via the slots 46, through which the control arms 86, 87 protrude. This means that no air cushion can arise under the starting piston 37 during the working stroke of the starting piston 37.
  • shut-off valve 34 If the shut-off valve 34 has been opened, the starting piston 37 and thus the piston 40 of the fuel injection pump 39 have been moved to the right, fuel is injected into the combustion chamber 10 by the fuel injection pump 39. Simultaneously with the opening of the shut-off valve 34, which causes the fuel to be injected, the circuit to the glow plugs 79 and 80 is closed. So it is inserted into the second combustion chamber 10 injection fuel ignited and thus the piston 4 moved against the first combustion chamber 9. The charge air present in this combustion chamber 9 is thus compressed.
  • the piston 5 of the liquid pump 2 is obviously also moved by the movement of the working piston 4 and the working liquid is returned directly to the liquid piston pump 2 through the changeover valve 88. Since the working liquid is fundamentally only conveyed from one side of the piston 5 to the opposite side and does not perform any useful work, this circulating movement of the liquid exerts very little resistance on the working piston 4.
  • the compressor piston 6 of the charge air pump 3 Due to the first stroke of the working piston 4, the compressor piston 6 of the charge air pump 3 is also displaced and charge air is conveyed into the charge air reservoir 12. However, only a small amount, a small volume of charge air, is conveyed into the charge air reservoir 12 because the working piston 4 has only moved a small distance.
  • the starting cylinder 36 is operated again in the manner mentioned above. However, since the working piston 4 has moved against the combustion chamber 9, the outlet slots 57 of the cylinder 1 are opened and thus the pressure in the combustion chamber 10 drops. The small volume of the charge air conveyed by the charge air pump 3 causes the pressure in the charge air reservoir 12 to increase increased again.
  • the working piston 4 moves downward, the inlet valve 21 is opened and a further quantity of fuel is injected into the combustion chamber 9 and ignited there.
  • the working piston 4 and thus also the compressor piston 6 move and thus a further volume flows Men charge air in the charge air reservoir 12, and because the pressure in the charge air reservoir 12 has already become higher than the outlet pressure, the starting cylinder 36 already works better, the starting piston 37 is moved more strongly against the force of the spring 41. This means that a larger amount of fuel is injected from work cycle to work cycle.
  • the temperature in cylinder 1 increases, the engine becomes hot and the pressure of the charge air in charge air reservoir 12 will also grow faster and faster.
  • the work cycles, ie ignitions of the amount of fuel injected follow one another at increasingly shorter time intervals and the internal combustion engine has now started.
  • the changeover valve 88 can now be switched over to continuous operation so that the working fluid flows through the turbine 66, the shutoff valve 34 also being closed and the venting valve 35 being opened, which two valves remain in this state during the continuous operation. Now the internal combustion engine runs regularly and the supply of electrical current to the glow plugs 79, 80 is interrupted. By controlling the throttle valve 73, the fuel supply and thus the working speed of the internal combustion engine are controlled.
  • the double-acting compressor piston 6 of the charge air pump 3 sucks fresh air through the air filter 32 and the inlet valves 29, 30 and conveys this through the outlet valves 28, 31 to the charge air line 16, which runs to the inlet valve 22, through which inlet valve 22 the charge air into the charge air reservoir 12 flows in.
  • the delivery rate of the charge air pump 3, which in particular from the working surface of the compressor piston 6 depends, is dimensioned depending on the design of the internal combustion engine for diesel or gasoline operation, the most appropriate compression during continuous operation and the heat transfer in the charge air reservoir 12.
  • the heat exchange depends, among other things, on the mass of the participating bodies. The higher this mass, the more effective the heat exchange is. Since the pistons 4, 5, 6 are firmly connected to one another, the delivery capacity of the charge air pump 3 can thus only be determined by changing the working surface of its compressor piston 6.
  • the charge air that enters the cylinder at the start of the work cycle is preheated.
  • the further heating by compression up to the ignition temperature therefore requires a shorter piston stroke and therefore less energy than if the charge air had a normal outside temperature would enter the cylinder.
  • the pressure of the charge air pump 3 ensures that the amount of air flowing from the jacket space 12 into the cylinder 1 is adequately dimensioned despite heating.
  • the charge air density desired in conventional internal combustion engines is achieved in the present internal combustion engine in part by an oversized charge air quantity.
  • the air-fuel mixture is lean. This means that a larger amount of charge air is fed into the cylinder 1 than is necessary for the complete oxidation of the fuel.
  • the thermal energy released during the combustion is not only distributed to the combustion products including the nitrogen, which corresponds to the oxygen consumed, but also to the excess oxygen not participating in the combustion and the corresponding amount of nitrogen. In the case of a lean mixture, including the resulting residues, this means that the maximum permissible temperature in the cylinder is not exceeded.
  • the catalysts in the combustion chambers ensure a more complete oxidation of the fuel, ie its chemical components. This means that there is no leakage of pollutants that result from incomplete oxidation, or the formation of the pollutants is at least reduced.
  • platinum in the combustion chamber promotes the conversion of carbon in diesel oil to carbon dioxide (C0 2 ). Soot formation is also counteracted, since soot is free carbon.
  • Nitrogen oxides form during combustion.
  • a corresponding catalyst which is currently used in the exhaust, promotes the dissolution of the stock oxide in its components. If such a catalyst were now arranged in the combustion chamber, it would hinder the formation of nitrogen oxides and help to dissolve nitrogen oxide that has already formed.
  • the catalyst material is applied to ceramic grids and thus installed in the combustion chamber.
  • Non-knock-resistant gasoline with a low octane number is used when the internal combustion engine is operating.
  • the ignition also takes place here according to the diesel principle, the charge air compressed in the cylinder has a temperature which is sufficiently high for the reasons mentioned above to enable the chemical reactions, i.e. the combustion, when the fuel is injected.
  • Diesel operation There is obviously no further explanation for diesel operation. Knocking the internal combustion engine is impossible because the working piston 4 is not connected to a crankshaft.
  • the fuel is not injected as quickly as possible, but in a metered manner, so that the pressure in the respective combustion chamber drops as slowly as possible, in order then to drop sharply when the fuel supply is ended and the outlet slots 57 are subsequently released.
  • the reason for this is that such a pressure curve is easier to compensate in a cyclical sequence.
  • the combustion flows gases into the exhaust pipe 58, on which the lubricating oil pan 56 is arranged laterally, and then through the exhaust 62 into the open.
  • the course of the liquid during continuous operation of the internal combustion engine is as follows.
  • the piston 5 of the liquid piston pump 2 conveys the liquid into the outlet line 70 through the respective outlet valve 25, 27.
  • the working surfaces of the pistons of the fuel injection pump 39 and of the two lubricant pumps 44, 47 are open towards the outlet line 70, that is, the liquid in the outlet power 70 can act on these three pistons.
  • the three pistons 40, 49, 51 are moved against the force of their respective springs and thus pump the fuel or the lubricant.
  • the liquid flows from the air chamber 60 through the above-mentioned throttle valve 64 to the liquid turbine 66, in which the pressure, which results from the kinetic energy of the liquid, is converted into the force of the rotating turbine shaft in a known manner. After the liquid turbine, the liquid flows through the return line 68 to the inlet valve 24 or back to the inlet valve 26 of the liquid pump 2.
  • FIG. 2 A variant of the embodiment is shown in FIG. 2. It is assumed that there are no catalysts in the combustion chambers 9, 10.
  • a catalytic converter 90 is used in the exhaust pipe 58.
  • the exhaust pipe 58 does not lead directly to the outside, but is fed to an exhaust gas turbine 91, from which the exhaust pipe 62 leads to the outside.
  • the exhaust gas turbine 91 is connected to a pump wheel 92 via a shaft 94.
  • the liquid flowing through the outlet line 70 flows, as in the variant according to FIG. 1, into the wind chamber 60 and from there through the throttle valve 64 into the turbine 66 with the output shaft 67.
  • the outlet of the turbine 66 is now fed to the pump wheel 92 via the return line 68.
  • the liquid flows back from this pump wheel 92 to the liquid piston pump 2 (see FIG. 1).
  • the efficiency of the internal combustion engine is improved.
  • the stroke of the piston 4 is also reduced, and thus the output of the liquid piston pump 2 and the charge air pump 3 is also reduced.
  • the charge air pump 3 In order to ensure, however, that even with a shorter stroke of the working piston 4, a sufficient amount the charge air is promoted, the charge air pump 3 must be oversized. D a, however, then in a continuous operation would set too high overpressure in the charge air storage 12, the safety valve 14, which works as a pressure relief valve, arranged, through which escapes such excess amount of air into the open air, the If there is excess air pressure due to malfunctions due to a lack of lubricating oil or excessive wind pressure on the intake manifold of the charge air pump 3.
  • the B racing fuel injection pump 39 oversized.
  • the operation of the fuel injection pump 39 is controlled by means of the fuel throttle valve 73 and the safety valve 74. This makes it possible to control the amount of fuel supplied to the cylinder 1 independently of the stroke of the piston 40 of the fuel injection pump 39. If the stroke of the piston 40 of the fuel injection pump 39 is reduced, there is a pressure drop in the pump, which is sensed by the pressure sensor 72 and correspondingly opens the fuel throttle valve 73 more. If the stroke is greater, the pressure sensor 72, which senses the correspondingly higher pressure, causes the throttle valve 73 to close.
  • the safety valve 74 opens, so that excess fuel quantity returns to the fuel supply pipe 48 or alternatively is returned to the fuel storage tank. If the fuel injection pump 39 were not equipped with the pressure sensor 72 and the throttle valve, the engine would switch off due to an insufficient amount of fuel in the case of arbitrary, for example, manual throttling of the fuel supply. When arbitrary example, manual increase of fuel supply would be the internal combustion engine to greatly Heat n . The pressure sensor 72 to the throttle valve 73 prevents this overheating by the amount of fuel supplied bumper is matically reduced.
  • the free-piston internal combustion engine is characterized by a number of advantages. First, it has high thermal efficiency.
  • the stroke length of the piston 4 is variable, but the combustion force is inelastically related to the power output by the turbine shaft 67 by the combination of the liquid pump 2 and the turbine 66.
  • the energy is transferred by a liquid and, as is well known, liquids are liquids incompressible in practice, while gas is compressible and therefore elastic. Since the energy is generated by a free-piston engine that operates the liquid pump 2, and since the piston stroke is not prescribed by the connecting rod and crankshaft, the piston stroke can adapt optimally to the load. With a constant piston stroke and variable load, force is lost if the load is less than the piston and stroke can cope with at maximum.
  • the internal combustion engine is characterized by a great simplicity of construction. It has only two large moving parts, namely the arrangement consisting of the three pistons and the turbine rotor. This allows the internal combustion engine to be produced inexpensively and is obviously not very susceptible to faults.
  • the various valves are largely self-controlled, spring-loaded, commercially available units. Where an automatic valve control takes place, the corresponding device is constructed as simply as possible. Manual control is basically limited to one valve, namely the fuel throttle valve 73, ie when starting up to four valves (in addition to the fuel throttle valve 73, the changeover valve 88, the vent valve 35 and the shutoff valve 34).
  • the fuel engine can basically be built with only a single cylinder.
  • the wind boiler 60 together with the valve 64, ensures that the liquid flow entering the turbine 66 is not subject to major pressure and quantity changes. If a flywheel had to be used for the uniformity of the rotation 7, the turbine rotor could be constructed so heavily that it itself could serve as a flywheel. If the weight of the internal combustion engine and the fuel costs are not the first priority, the turbine can be designed as a Pelton-Turibne. For a long time Continuous operation is sufficient for an impeller turbine. A Kaplan turbine is used for variable loads. With the latter, the internal combustion engine then has an infinitely variable energy transmission device.
  • the internal combustion engine is inexpensive, since only a few parts of the same have to be made from substances to which special demands are made.
  • the cylinder 1 is made of a heat-resistant, highly thermally conductive material that is resistant to elastic deformation, for example of an SiAl alloy.
  • the working piston 4 of the cylinder, as well as the inlet valves to the cylinder and in particular their springs are made of a heat-resistant material.
  • the wind boiler also consists of a good heat-conducting material. All other components of the internal combustion engine can be made of steel and / or duralumin and cast iron.
  • all valves are standardized products which are freely available commercially.
  • the manufacture of the internal combustion engine only requires simple manufacturing processes, no expensive and difficult to machine materials and also no special tools.
  • the internal combustion engine can be built very compact. In order to deliver an acceptably balanced output, basically only one cylinder 1 is necessary. Each cycle of the free piston is a compression cycle and a work cycle at the same time. Although the machine works as a two-stroke engine, there is twice the power output per unit of time compared to a conventional single-cylinder time-cycle engine and four times that of a single-cylinder four-stroke engine. In the liquid piston pump 2 and in the charge air pump 3, too, each cycle is simultaneously an intake and a work (pump) cycle When the cylinder is flushed, the combustion gases are emitted more completely than with a four-stroke engine, because with the four-stroke engines there is always a gas residue in the cylinder section at the top dead center position of the piston.

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Abstract

Der Arbeitskolben (4) des Zylinders (1) ist über eine Kolbenstange (7) fest mit dem Kolben (5) einer Flüssigkeitspumpe (2) verbunden. Dieser Kolben (5) ist seinerseits über eine Kolbenstange (8) fest mit dem Verdichterkolben (6) der Ladeluftpumpe (3) verbunden. Zwischen der Zylinderwand (23) und einem Aussenmantel (11) des Zylinders (1) ist ein Ladeluftspeicher (12) gebildet. Die von der Ladeluftpumpe (3) geforderte Ladeluft tritt in den Ladeluftspeicher (12) ein, um von dort über Einlassventile (20, 21) in die jeweiligen Verbrennungsräume (9, 10) einzutreten. Die von der Flüssigkeitspumpe (2) geförderte Flüssigkeit strömt in einen Windkessel (60). Von diesem strömt die Flüssigkeit weiter in eine Flüssigkeitsturbine (66), wobei die nutzbare Energie über die Turbinenwelle (67) abgegeben wird. Da die Flüssigkeit unkompressibel ist, erfolgt die Kraftübertragung von der Flüssigkeitskolbenpumpe (2) zur Turbine (66) mit nur sher kleinen Verlusten. Damit ist ein besserer thermischer Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine sichergestellt. Die Brennkraftmaschine ist äusserst einfach und gedrängt gebaut. Es ist nur ein Zylinder (1) notwendig, um eine praktisch gleichförmige Leistung an der Turbinenwelle (67) zu erzeugen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Freikolben-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder mit einem darin längsverschiebbar geführten, doppelt-wirkenden Arbeitskolben, und mit einer Ladeluftpumpe.
  • Freikolben-Brennkraftmaschinen sind bekannt und werden bevorzugt zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Freikolben-Brennkraftmaschine zu zeigen, die im Vergleich mit bekannten Maschinen einen erhöhten thermischen Wirkungsgrad aufweist, einfacher und gedrängter ausgebildet ist und deren Herstellung kostengünstig ist.
  • Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Freikolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der der Zylinder zur Bildung eines Ladeluftspeichers einen Aussenmantel aufweist, die Ladeluftpumpe einen doppelt wirkenden Verdichterkolben aufweist, der über eine Kolbenstangenanordnung mit dem Arbeitskolben verbunden ist, welche Ladeluftpumpe über eine Ladeluftleitung mit dem Ladeluftspeicher verbunden ist.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zusehen, dass ein sehr hoher thermischer Wirkungsgrad erreicht wird, wobei sich die Konstruktion durch eine grosse Einfachheit auszeichnet.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungwege darstellenden Zeichnungen näher er- äutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 schematisch eine Ausführung der erfindungsgemässen Freikolben-Brennkraftmaschine;
    • Fig. 2 eine Ausführungsvariante der.in der Fig. 1 gezeigten Freikolben-Brennkraftmaschine;
    • Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch den Arbeitszylinder der Freikolben-Brennkraftmaschine;
    • Fig. 4 eine schematische Darstellung der Auslassschlitze, und
    • Fig. 5 schaubildlich einen Abschnitt des Zylinders in ausgeschnittener Darstellung.
  • In der Fig. 1 sind allgemein ein Zylinder 1, eine Flüssigkeitskolbenpumpe 2 und eine Ladeluftpumpe 3 gezeichnet. Die Bezugsziffer 60 zeigt einen Windkessel, und eine Turbine ist mit der Bezugsziffer 66 angedeutet. Die bevorzugte Ausführung der Freikolben-Brennkraftmaschine enthält lediglich einen Zylinder 1, jedoch sind für beispielsweise grössere Leistungen auch mehrere parallel arbeitende Zylinder 1 denkbar. Der Zylinder 1 weist eine Zylinderwand 23 und einen Aussenmantel 11 auf. Dazwischen ist ein als Ladeluftspeicher 12 dienender Mantelraum gebildet. In diesem Ladeluftspeicher 12 sind die Zylinderwand 23 mit dem Aussenmantel 11 verbindende Kühlrippen 53 angeordnet. Die bevorzugte Ausführung dieser Kühlrippen 53 ist in den Fig. 3 und 5 dargestellt. Diese-Kühlrippen 53 sind ringförmige Scheiben, in denen Ausnehmungen 93 vorhanden sind. Die gezeigte Ausführung dieser Kühlrippen 53 ist die bevorzugte Ausführung, und es sind noch andere Ausgestaltungen denkbar. Das Wesentliche ist, dass diese Kühlrippen 53 die Zylinderwand 23 mit dem Aussenmantel 11 verbinden. Der Zylinder 1 ist mit Auslassschlitzen 57 versehen. Die Anordnung derselben ist schematisch in der Fig. 4 gezeigt. Die Auslassschlitze 57 verlaufen parallel zu einander und parallel zur Zylinderachse. Sie sind musterförmig angeordnet, wie in der Fig. 4 dargestellt ist. Die Auslassschlitze 57 weisen eine unterschiedliche Längsausdehnung auf. Dabei weist der mittlere Auslassschlitz 57 die grösste Längsdehnung auf. Die beidseits vom mittleren Auslassschlitz 57 gelegenen Auslagsschlitze sind progressiv kürzer ausgebildet, so dass die zwei äussersten Auslassschlitze des Musters die kleinste Längsausdehnung aufweisen.
  • Im Zylinder 1 ist der längsverschiebbar geführte. doppelt wirkende Arbeitskolben 4 angeordnet. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet die erste Verbrennungskammer,und die Bezugsziffer 10 bezeichnet die zweite Verbrennungskammer. Die erste Verbrennungskammer 9 ist über ein als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil 20 und die zweite Verbrennungskammer 10 über ein weiteres als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil 21 mit dem als Ladeluftspeicher 12 dienenden Mantelraum verbunden.
  • Die axiale Ausdehnung des im Zylinder 1 angeordneten Kolbens 4 ist offensichtlich länger als die Längsausdehnung des längsten der Auslassschlitze 57. Die axiale Länge des Arbeitskolbens 4 ist unter Berücksichtigung der axialen Länge des Zylinders 1, des minimalen und maximalen Kolbenhubens, der erwünschten Verdichtung in den Verbrennungskammern 9 und 10 und offensichtlich den Abmessungen dieser Verbrennungskammern, gewählt. Der Arbeitskolben 4 ist bei beiden Enden durch Kolbenringe 18,19 gegen die Zylinderwand 23 abgedichtet. Obwohl jeweils nur ein Kolbenring 18,19 schematisch eingezeichnet ist, ist es offensichtlich, dass jeweils ein Satz Kolbenringe bekannter Anordnung vorhanden sein kann. In der Verbrennungskammer 9 ist ein allgemein mit der Bezugsziffer 15 bezeichneter Katalysator und in der Verbrennungskammer 10 eine allgemein mit der Bezugsziffer 17 bezeichnete Katalysatoreinrichtung vorhanden. Diese Katalysatoreinrichtungen 15,17 sind gitterförmig ausgebildet und bestehen aus "Cermet" oder einem anderen, warmfesten und chemisch trägen Stoff, auf dem ein als eigentlicher Katalysator wirkender Stoff, z.B. Platin, aufgetragen ist. Bei der gezeichneten Ausführung sind die Zylinderendabschnitte und die Stirnflächen des Kolben gewölbt ausgebildet, können jedoch auch andere Formgebungen aufweisen.
  • Der Arbeitskolben 4 ist fest mit einer Kolbenstange 7 verbunden. Diese verläuft abgedichtet durch die Zylinderwand 23 und den Mantel 11 und ist mit dem Kolben 5 und der Flüssigkeitspumpe 2 fest verbunden.
  • Diese Flüssigkeitspumpe 2 weist zwei Einlassventile 24, 26 und zwei Auslassventile 25,27 auf. Damit ist auch der Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe ein doppelt wirkender Kolben. Der Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe 2 ist über eine weitere Kolbenstange 8 mit dem Verdichterkolben 6 der Ladeluftpumpte 3 fest verbunden. Offensichtlich sind auch hier die Durchtrittsstellen der Kolbenstange 8 durch die Wände der Flüssigkeitskolbenpmme 2 und der Ladeluftpumpe 3 abgedichtet. Der Ladeluftpumpe 3 ist ein Luftfilter 32 vorgeschaltet. Die Ladeluftpumpe 3 weist zwei Einlassventile 29,30 und zwei Auslassventile 28,31 auf.
  • Die Querschnittsfläche, d.h. Arbeitsfläche des Verdichterkolbens 6 der Ladeluftpumpe 3, ist grösser als diejenige des Arbeitskolbens 4 oder in anderen Worten ausgedrückt, weist der Verdichterkolben 6 einen grösseren Durchmesser als,der Arbeitskolben 4 auf.
  • Der Hub der zwei Kolben 4,6 ist offensichtlich derselbe. Bei einer bevorzugten Ausführung, bei der im Ladeluftspeicher 12 des Zylinders l,im Kaltzustand ein Druck von ungefähr 5 x 105 Pa vorhanden ist, (welcher Druck im Betrieb aufgrund der entsprechend hohen Temperatur entsprechend höher ist) weist die Zylinderwand 23 einen Innendurchmesser von 4 cm und der Aussenmantel 11 einen Innendurchmesser von ca. 5,7 cm auf, und entsprechend ist dann der Durchmesser des Verdichterkolbens 6 der Ladeluftpumpe 3 ca. 8 cm. Der Verdichterkolben 6 weist also einen grösseren Durchmesser als der Arbeitskolben 4 auf.
  • Die Flüssigkeitskolbenpumpe 2 fördert eine Flüssigkeit in geschlossenem Kreislauf, beispielsweise Wasser mit möglichen Zusätzen zum Korrosionsschutz, Gefrierschutz, usw. Die durch den Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe 2 geförderte Flüssigkeit strömt durch die Auslassventile 25,27 in eine Auslassleitung 70. Diese Auslassleitung 70 ist mit drei kleinen Pumpen verbunden. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 39 die Brennstoffeinspritzpumpe und die Bezugsziffern 44,47 bezeichnen die Schmiermittelpumpen.
  • Die Brennstoffeinspritzpumpe 39 weist einen Kolben 40 auf, der durch eine Feder 41 vorgespannt ist. Die Schmiermittelpumpe 44 weist einen mittels einer Feder 50 vorgespannten Kolben 49 und die Schmiermittelpumpe 47 weist einen durch eine Feder 52 vorgespannten Kolben 51 auf. Die Stirnflächen der drei Kolben 40,49,51 liegen gegen die Auslassleitung 70 frei. Ihre Arbeitsflächen sind somit mit dem Druck der von der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 geförderten Flüssigkeit beaufschlagt. Damit werden bei jedem Hub des Kolbens 5 der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 die dreiKolben 40,49,51 gegen die Kraft ihrer jeweiligen Federn 41,50,52 verschoben. Wenn der Kolben 5 einen einer Totpunkte erreicht und damit der Druck der durch die Flüssigkeitskolbenpunpe 2 geförderten Flüssigkeit sinkt, bewegen die Federn 41,50,52 ihre jeweiligen Kolben 40,49,51 in ihre Ausgangsstellung zurück. Folglich werden die Brennstoffeinspritzpumpe 39 und die Schmiermittelpumpen 44,47 von der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 getrieben. Bei einer in der Fig. 1 nach der Brennstoffeinspritzpumpe 39 gelegenen Stelle ist in der Auslassleitung 70 ein Umschaltventil 88 angeordnet, dessen Zweck weiter unten erläutert wird. Die Auslassleitung 70 verläuft nach den Schmiermittelpumpen 44,47 zu einem Windkessel 60. Im Windkessel 60 ist unter Druck stehende Luft oder ein sonstiges unter Druck stehendes Gas vorhanden. Die aus dem Windkessel 60 hinausführende Leitung ist einem Drosselventil 64 zugeführt, dessen Stellung durch einen im Windkessel 60 angeordneten Druckmessfühler 63 gesteuert ist. Vom Drosselventil 64 strömt dann die Flüssigkeit in eine Flüssigkeitsturbine 66. Diese Turbine 66 kann eine Pelton-Turbine, eine Flügelradturbine oder eine Kaplan-Turbine sein. Die Turbine 66 ist mit der Turbinenwelle 67 verbunden. Folglich wird im Betrieb die lineare Hubbewegung des Kolbens der Freikolben-Brennkraftmaschine in eine Drehbewegung der Turbinenwelle umgewandelt. An dieser Turbinenwelle 67 kann nun beispielsweise ein Stromerzeuger angeschlossen sein. An der Turbine 66 schliesst endlich eine Rückführleitung 68 an, durch welche die Flüssigkeit durch das Umschaltventil 88 zur Flüssigkeitskolbenpumpe 2 zurückströmt, um dort wieder durch die Einlassventile 24,26 hindurch in die jeweiligen Arbeitskammern einzuströmen. Somit ist also ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf vorhanden, aufgrund dessen grundsätzlich die Kolbenbewegung der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 in eine Rotationsbewegung der Turbine 66 umgesetzt wird.
  • Die Ladeluftpumpe 3 saugt die Luft durch den Luftfilter 32 an, welche Luft durch die Einlassventile 29,30 in die Arbeitskammern eintritt. Darauf wird die Luft durch die Bewegung des Verdichterkolbens 6 durch die zwei Auslassventile 28,31 hindurch in die Ladeluftleitung 16 gefördert. Diese Ladeluftleitung 16 ist dem als Rückschlagventil ausgebildeten Hauptladelufteinlassventil 22 zum Ladeluftspeicher 12, d.h. dem Mantelraum des Zylinders 1, zugeführt. Somit tritt die durch den Verdichterkolben 6 verdichtete und geförderte Luft in den Ladeluftspeicher 12 ein. Dieser ist mit einem Sicherheitsventil 14, einem Ueberdruckventil, ausgerüstet, das bei zu hohem Ladeluftdruck den Ladeluftspeicher entlastet.
  • Die Abgase strömen durch die Auslassschlitze 57 über die Oelwanne 56 in das Auspuffrohr 58, und durch den Auspuff 62 ins Freie.
  • Die Schmiermittelpumpe 47 saugt das Schmiermittel von der Oelwanne an und fördert es durch den Schmiermittelfilter 54, also dem Oelfilter zum Schmiermittelspeicherbehälter 55. Die Schmiermittelpumpe 44 saugt ihrerseits das Schmiermittel aus dem Schmiermittelspeicherbehälter 55 und fördert es durch die Leitung 71 zu den verschiedenen zu schmierenden Stellen der Freikolben-Brennkraftmaschine.
  • Die Brennstoffeinspritzpumpe 39 saugt den Brennstoff über das Brennstoffzufuhrrohr 48 vom nicht gezeichneten Brennstoffspeicherbehälter an. Die Brennstoffeinspritzpumpe 39 ist mit einem Sicherheitsventil 74 ausgerüstet, durch welches bei zu hohem Förderdruck der Brennstoffeinspritzpumpe 39 Brennstoff zurück zum Brennstoffzufuhrrohr 48 oder zum Brennstoffspeicherbehälter strömt.
  • Beim Auslass der Brennstoffeinspritzpumpe 39 ist ein Drosselventil 73 angeordnet. Dieses Drosselventil wird entweder durch manuelle Betätigung oder für vollständig automatischen Betrieb mit einem Druckfühler 72 gesteuert, welcher den in der Zylinderkammer der Brennstoffeinspritzpumpe 39 vorherrschenden Druck abtastet. Die vom Brennstoff-Drosselventil 73 aus verlaufende Brennstoffzufuhrleitung verzweigt sich und erstreckt sich zu den Brennstoffeinspritzventilen 75,76. Diese Einspritzventile 75,76 sind vom Einlassventil 21 ge- steuert, welches den Mantelraum 12, d.h den Ladeluftspeicher, mit der zweiten Verbrennungskammer 10 verbindet. Ist das Einlassventil 21 offen, ist das Einspritzventil 76 offen und der Brennstoff wird durch das Rückschlagventil 77 in die erste Verbrennungskammer 9 eingespritzt. Ist das Ventil 21 geschlossen, ist das Einspritzventil 76 ebenfalls geschlossen und das Ventil 75 offen, und der Brennstoff wird durch das Rückschlagventils in die zweite Verbrennungskammer 10 eingespritzt. In dieser Ausführung weist die Brennkraftmaschine eine elektrische Anlage zum Zünden auf, wobei die Zündung über Glühkerzen 79,80 erfolgt.
  • Neben der Brennstoffeinspritzpumpe 39 ist der Anfahrzylinder 36 angeordnet. Der im Anfahrzylinder 36 angeordnete Anfahrkolben 37 ist über eine Kolbenstange 38 mit dem Kolben 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 starr verbunden. Die Stirnfläche des Anfahrkolbens 37 ist grösser als die Stirnfläche des Kolbens 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39. Der Anfahrzylinder 36 ist über ein Rohr 33, in welchem ein Absperrventil 34 angeordnet ist, mit dem Ladeluftspeicher 12 des Zylinders 1 verbunden. Weiter weist der Anfahrzylinder 36 ein Enflüftungsventil 35 auf. Die Kolbenstange 38 ist gegen den Boden des Anfahrzylinders 36 abgedichtet.
  • Zwei federbelastete Steuerarme 86,87 ragen durch die Wand des Anfahrzylinders 36 bei einer Stelle in den Zylinderraum, die ungefähr 60 % der Hubstrecke des Anfahrkolbens 37 entspricht, wenn er sich gemäss der Fig. l von links nach rechts bewegt. Diese Steuerarme 86,87 sind über Federn 43 schwenkbar abgesützt, wobei die Schwenkstellen 42 ausserhalb des Anfahrzylinders 36 gelegen sind. Diese Steuerarme 86,87 steuern die Ventile 34,35, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Weiter ragen die Steuerarme 86,87 durch Schlitze 46 in der Wand des Anfahrzylinders 36 in dessen Innenraum. Es ist also ersichtlich, dass wenn sich der Anfahrkolben 37 in der Fig. 1 nach rechts bewegt, dieser zur Anlage an die Steuerarme 86,87 kommt und somit eine Auslenkung derselben bewirkt. Bewegt sich der Anfahrkolben 37 wieder nach links, werden die Steuerarme 86,87 durch die Federn 43 wieder in ihre Ruhestellung zurückgeschwenkt. Die Auslassleitung 70 ist bei einer Stelle nach der Brennstoffeinspritzpumpe 39 einem Umschaltventil 88 zugeführt. In der gezeichneten Betriebsstellung durchströmt die Flüssigkeit von der Brennstoffeinspritzpumpe 39 herkommend das Umschaltventil 88, um weiter gegen die Schmiermittelpumpen 44,47 und von dort letzlich zur Turbine 66 zu strömen. Zum Anfahren ist das Umschaltventil 88 in einer Stellung bewegt, bei der die Flüssigkeit nach der Brennstoffeinspritzpumpe 39 umnittelbar wieder zur Flüssigkeitskolbenpumpe 2 zurückgeführt ist, also die Schmiermittelpumpen 44,47 und insbesondere die Turbine 66 nicht von der Flüssigkeit getrieben werden.
  • Zu bemerken ist, dass die beschriebene Ausführung der Freikolben-Brennkraftmaschine über die Turbinenwelle 67 ihre nutzbare Energie abgibt.
  • Bei einer anderen, nicht gezeichneten Ausführung sind Windkessel und Turbine 66 weggelassen. Damit ist es möglich, mit der Flüssigkeitspumpe 2, deren Kolben 5 fest mit dem Kolben 4 verbunden ist, die Brennkraftmaschine als Pumpenantrieb zu verwenden, so dass durch die Pumpe 2 z.B. Flüssigkeit oder sogar Gas gefördert werden kann.
  • Nachfolgend wird nun das Anfahren und der Betrieb der gezeigten Ausführung erläutert. Zum Anfahren ist es notwendig, das im Mantelraum, also Ladeluftspeicher 12, Druckluft vorhanden ist. Es wurde früher erwähnt, dass im kalten Zustand ein Druck von etwa 4 x 105 Pa im Ladeluftspeicher 12 vorhanden sein muss. Wird die Brennkraftmaschine zum ersten Mal in Betrieb genommen oder sind Arbeiten am Zylinder 1 durchgeführt worden, die ein Entflüften desselben benötigten, so dass im Luftladespeicher 12 Umgebungsdruck vorherrscht, wird vorerst Druckluft in den Ladeluftspeicher 12 eingebracht, so dass die darin befindliche Luft unter einem zum Anfahren notwendigen Druck steht.
  • Ist die Brennkraftmaschine durch das Unterbinden der Brennstoffzufuhr zum Stehen gebracht worden, also nur relativ kurzzeitig ausser Betrieb gewesen, ist unter Druck stehende Ladeluft im Ladeluftspeicher 12 gespeichert. Unmittelbar nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine nach vollem Betrieb ist die im Ladeluftspeicher 12 vorhandene Ladeluft zusätzlich noch erhitzt und steht somit unter einem höheren Druck. Zum Anlassen der Brennkraftmaschine genügt jedoch der oben erwähnte Druck bei kalter Ladeluft. Im abgestellten Zustand befindet sich der Arbeitskolben 4 ungefähr in der Zylindermitte.
  • Man nehme an, dass beim vorgängigen Abstellen der Brennkraftmaschine die letzte Brennstoffeinspritzung in die erste Verbrennungskammer 9 hinein erfolgte. Die Verbrennung in der Verbrennungskammer 9 bewirkte den letzten Arbeitshub des Arbeitskolbens 4, bewirkte ein Schliessen des Einlassventiles 21, weil sich offensichtlich der Arbeitskolben 4 in Richtung der zweiten Verbrennungskammer 10 bewegte. Dabei ist offensichtlich die in der Verbrennungskammer 10 vorhandene Ladeluft verdichtet worden. Da jedoch kein Brennstoff mehr eingespritzt worden ist, ist in der Verbrennungskammer 10 kein Verbrennen mehr erfolgt.
  • Die vorgängig erwähnte letzte Arbeitsbewegung des Arbeitskolbens 4 in der Zeichnung nach oben bewirkte ein Freigeben der Auslassschlitze 57. Die in der Verbrennungskammer 9 vorhandenen Gase konnten somit durch die Schlitze 57 und das Auspuffrohr 58 ausströmen, womit ein Druckabfall in der Verbrennungskammer 9 stattgefunden hat. Aufgrund dieses Druckabfalles hat sich das Einlassventil 20 kurzzeitig geöffnet, um frische Ladeluft aus dem Ladeluftspeicher 12 in die Verbrennungskammer 9 einströmen zu lassen. Jedoch kann offensichtlich der Druck der in der Verbrennungskammer 9 vorhandenen Ladeluft dem der im Ladeluftspeicher 12 vorhandenen Ladeluft nicht übersteigen.
  • Da jedoch der Druck der in der oberen Verbrennungskammer 10 vorhandenen Ladeluft aufgrund der vorgängigen Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 etwas höher ist als der in der Verbrennungskammer 9 vorhandene Druck, wird der Arbeitskolben 4 eine kleine Strecke nach unten in Richtung zur Verbrennungskammer 9 gedrückt und damit sind die Auslassschlitze 57 wieder geschlossen worden und der Ladeluftdruck in der Verbrennungskammer 9 etwas erhöht worden. Damit hat sich auch das Einlassventil 21 geschlossen, so dass der Arbeitskolben 4, wie vorher erwähnt, ungefähr in der Mitte des Zylinders 1 zum Stillstand kommt, bei welcher Stellung des Arbeitskolbens 4 die Ladeluftdrücke in der ersten Verbrennungskammer 9 und zweiten Verbrennungskammer 10 ausgeglichen sind. Da jedoch der Verdichterkolben 6 der Ladeluftpumpe 3 und der Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe 2 über die Kolbenstangenandordnung 7,8 starr mit dem Arbeitskolben 4 verbunden sind, erzeugen diese zwei Pumpen einen Widerstand gegenüber der Bewegung des Arbeitskolbens 4, so dass er in der Figur etwas höher zu stehen kommt, also ein wenig mehr in Richtung der zweiten Verbrennungskammer 10 zur Ruhe kommt.
  • Zum Anfahren ist also das Umschaltventil 88 in die Stellung geschaltet worden, bei der die umlaufende Flüssigkeit von der Brennstoffeinspritzpumpe 39 unmittelbar zur Flüssigkeitspumpe 5 zurückgeleitet wird.Darauf wird das Brennstoffdrosselventil 73, das beim Auslass der Brennstoffeinspritzpumpe 39 angeordnet ist, in seine Offenstellung gesteuert. Der Kolben 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 steht unter Einwirkung der ihn vorspannenden Feder 41 in einer oberen Totpunktstellung, d.h. in der Fig. 1 in der linken Stellung, dabei ist nun die Feder 41 im vollständig ausgedehnten Zustand. Das bis anhin und bei dem Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine offene Entlüftungsventil 35 des Anfahrzylinders 36 wird nun geschlossen und gleichzeitig das den Innenraum des Anfahrzylinders 36 über das Rohr 33 mit dem Ladeluftspeicher 12 verbindende Absperrventil 34 geöffnet. Damit strömt unter Druck stehende Ladeluft aus dem Ladeluftspeicher 12 zum Anfahrkolben 37 des Anfahrzylinders 36 und drängt diesen in der Fig. nach rechts. Nach einer Hubstrecke von 60 % kommt der Anfahrkolben 37 zur Anlage an die zwei Steuerarme 86,87. Diese Steuerarme 86,87 schwenken somit aus und bewirken, dass nun das Absperrventil 34 geschlossen und gleichzeitig das Entlüftungsventil 35 geöffnet wird.
  • Da der Anfahrkolben 37 über die Kolbenstange 38 mit dem Kolben 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 verbunden ist, erfolgt ein erstes Fördern des Brennstoffes.
  • Zurückkehrend nun zur Bewegung der Steuerarme 86,87 ist durch das Oeffnen des Entlüftungsventiles bewirkt worden, dass der Anfahrkolben 37 entlastet wird und aufgrund der Feder 41 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 wieder nach links in der Fig. in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Die Federn 43 der Steuerarme 86,87 führen diese zurück in ihre Ausgangsstelle, so dass wiederum das Absperrventil 34 geöffnet und das Entlüfungsventil 35 geschlossen wird und die nächstfolgende Druckluft aus dem Ladeluftspeicher 12 zum Anfahrkolben 7 strömen kann. Der Anfahrzylinder 36 und der Anfahrkolben 37 sind derart bemessen, dass der im Ladeluftspeicher 12 vorhandene Luftdruck ausreicht, die Brennstoffeinspritzpumpe 39 mehrfach bis zu einem Hub von 60 % des Hubes im Dauerbetrieb zu betätigen.
  • Weiter ist zu erwähnen, dass der Zylinderinnenraum des Anfahrzylinders 36 unterhalb des Anfahrkolbens 37, also in der Fig. 1 der rechts vom Anfahrkolben 37 liegende Zylinderinnenraum, über die Schlitze 46, durch welche die Steuerarme 86,87 ragen, mit der Umgebung verbunden ist. Das heisst, dass bei dem Arbeitshub des Anfahrkolbens 37 kein Luftkissen unter dem Anfahrkolben 37 entstehen kann.
  • Ist also das Absperrventil 34 geöffnet worden, der Anfahrkolben 37 und damit der Kolben 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 nach rechts bewegt worden, wird von der Brennstoffeinspritzpumpe 39 her Brennstoff in die Verbrennungskammer 10 eingespritzt. Gleichzeitig mit dem Oeffnen des Absperrventils 34, welches Oeffnen das Einspritzen des Brennstoffes bewirkt, wird der Stromkreis zu den Glühkerzen 79 und 80 geschlossen. Also wird der in die zweite Verbrennungskammer 10 eingespritze Brennstoff gezündet und damit der Arbeitskolben 4 gegen die erste Verbrennungskammer 9 verschoben. Damit wird die in dieser Verbrennungskammer 9 vorhandene Ladeluft verdichtet.
  • Durch die Bewegung des Arbeitskolbens 4 wird offensichtlich auch der Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe 2 bewegt und die Arbeitsflüssigkeit durch das Umschaltventil 88 unmittelbar zur Flüssigkeitskolbenpumpe 2 zurückgeführt. Da die Arbeitsflüssigkeit grundsätzlich lediglich von einer Seite des Kolbens 5 zur entgegengesetzt gelegenen Seite gefördert wird und keine nützliche Arbeit leistet, übt diese Umlaufbewegung der Flüssigkeit einen sehr kleinen Widerstand auf den Arbeitskolben 4 aus.
  • Durch den ersten Hub des Arbeitskolbens 4 wird auch der Verdichterkolben 6 der Ladeluftpumpe 3 verschoben und Ladeluft in den Ladeluftspeicher 12 gefördert. Jedoch wird lediglich eine kleine Menge, ein kleines Volumen Ladeluft, in den Ladeluftspeicher 12 befördert, weil sich der Arbeitskolben 4 nur um eine kleine Strecke bewegt hat. Hat der Arbeitskolben 4 die erste Hubbewegung durchgeführt, wird der Anfahrzylinder 36 wieder in der oben erwähnten Art betrieben. Da sich jedoch der Arbeitskolben 4 gegen die Verbrennungskammer 9 bewegt hat, werden die Auslassschlitze 57 des Zylinders 1 geöffnet und somit sinkt der Druck in der Verbrennungskammer 10. Das kleine Volumen der durch die Ladeluftpumpe 3 geförderten Ladeluft bewirkt, dass sich der Druck im Ladeluftspeicher 12 wieder erhöht. Der Arbeitskolben 4 bewegt sich nach unten, das Einlassventil 21 wird geöffnet und eine weitere Brennstoffmenge in die Verbrennungskammer 9 eingespritzt und dort gezündet. Der Arbeitskolben 4 und damit auch der Verdichterkolben 6 bewegen sich und damit strömt ein weiteres Volumen Ladeluft in den Ladeluftspeicher 12, und weil nun im Ladeluftspeicher 12 der Druck bereits höher als der Ausgangsdruck geworden ist, arbeitet der Anfahrzylinder 36 bereits besser, der Anfahrkolben 37 wird stärker gegen die Kraft der Feder 41 bewegt. Damit wird nun von Arbeitstakt zu Arbeitstakt eine jeweils grössere Brennstoffmenge eingespritzt. Die Temperatur im Zylinder 1 erhöht sich, der Motor wird heiss und der im Ladeluftspeicher 12 vorhandene Druck der Ladeluft wird ebenfalls schneller und schneller wachsen. Die Arbeitstakte, d.h. Zündungen der jeweils eingespritzten Brennstoffmenge folgen einander in zunehmend kürzeren zeitlichen Abständen und damit ist nun die Brennkraftmaschine angesprungen.
  • Nun kann das Umschaltventil 88 auf Dauerbetrieb umgeschaltet werden, so dass die Arbeitsflüssigkeit durch die Turbine 66 strömt, wobei auch das Absperrventil 34 geschlossen und das Entlüftungsventil 35 geöffnet wird, welche zwei Ventile während des Dauerbetriebes in diesem Zustand verbleiben. Nun läuft die Brennkraftmaschine regelmässig und die Zufuhr elektrischen Stromes zu den Glühkerzen 79,80 wird unterbrochen. Durch ein Steuern des Drosselventiles 73 wird die Brennstoffzufuhr und damit die Arbeitsgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine gesteuert.
  • Nachfolgend wird nun der frischluft- und verbrennungsgasseitige Strömungsverlauf während des Dauerbetriebs der Brennkraftmaschine anhand der Fig. 1 beschrieben. Der doppelt wirkende Verdichterkolben 6 der Ladeluftpumpe 3 saugt durch den Luftfilter 32 und den Einlassventilen 29,30 Frisrhluft an und fördert diese durch die Auslassventile 28,31 zur Ladeluftleitung 16, welche zum Einlassventil 22 verläuft, durch welches Einlassventil 22 die Ladeluft in den Ladeluftspeicher 12 einströmt. Die Förderleistung der Ladeluftpumpe 3, welche insbesondere von der Arbeitsfläche des Verdichterkolbens 6 abhängt, wird je nach Auslegung der Brennkraftmaschine für Diesel- oder Benzinbetrieb, zweckmässigster Verdichtung bei Dauerbetrieb und der Wärmeübertragung im Ladeluftspeicher 12 bemessen. In jedem Fall muss in Betracht gezogen werden, dass der Wärmeaustausch unter anderem von der Masse der daran teilnehmenden Körper abhängig ist. Je höher diese Masse, desto wirkungsvoller verläuft der Wärmeaustausch. Da die Kolben 4,5,6 miteinander fest verbunden sind, kann die Förderleistung der Ladeluftpumpe 3 somit lediglich durch die Veränderung der Arbeitsfläche ihres Verdichterkolbens 6 bestimmt werden.
  • Die nun in den Ladeluftspeicher 12, also den Mantelraum, der von der Zylinderwand 23 und dem Aussenmantel 11 des Zylinders gebildet ist, eintretende Ladeluft wird durch die vorherrschende Temperatur der Zylinderwand 23 und den Kühlrippen 53 erwärmt. Dadurch wirkt diese Ladeluft als Kühlmittel für die Zylinderwand 23,und damit ist eine Maximaltemperatur im Zylinder 1 ermöglicht, die weit über der Verformungsgrenze der Zylinderwand liegt. Es ist bekannt, dass je höher die Ausgangstemperatur bei thermo-dynamischen Maschinen ist, desto besser deren Wirkungsgrad ist. Weiter ist zu bemerken, dass durch die im Mantelraum 12 erfolgende Vorwärmung der Ladeluft ein Teil der Erwärmung derselben vorweggenommen ist, welche Erwärmung eine der durch die Verdichtung der Ladeluft im Zylinder erwünschte Auswirkung ist. Andererseits bewirkt diese Erwärmung eine Erhöhung der Eigenbewegung der Moleküle. Dadurch ist die Ladeluft, die zu Beginn des Arbeitstaktes in den Zylinder eintritt, vorgewärmt. Die weitere Erhitzung durch Kompression bis zur Zündtemperatur erfordert somit einen kürzeren Kolbenhub und damit weniger Energie, als wenn die Ladeluft mit gewöhnlicher Aussentemperatur in den Zylinder eintreten würde. Der Druck der Ladeluftpumpe 3 sorgt dafür, dass die Luftmenge, die aus dem Mantelraum 12 in den Zylinder 1 strömt, trotz Erwärmung ausreichend bemessen ist.
  • Die in herkömmlichen Brennkraftmaschinen erwünschte Ladeluftdichte (die in den herkömmlichen Motoren unter anderem durch eine Kühlung der Ladeluft erreicht wird), wird in der vorliegenden Brennkraftmaschine zum Teil durch eine überdimensionierte Ladeluftmenge erreicht. In der vorliegenden Brennkraftmaschine ist das Luft-Brennstoffgemisch mager. Das heisst, dass eine grössere Menge Ladeluft in den Zylinder 1 hineingefördert wird, als zur vollständigen Oxidation des Brennstoffes notwendig ist. Somit wird die bei der Verbrennung freiwerdende Wärmeenergie nicht nur auf die Verbrennungsprodukte einschliesslich dem Stickstoff, der dem verbrauchten Sauerstoff entspricht, verteilt, sondern auch auf den überschüssigen, an der Verbrennung nicht teilnehmenden Sauerstoff und der diesem entsprechende Stickstoffmenge. Damit wird bei magerem Gemisch einschliesslich der damit entstehenden Rückstände erreicht, dass die maximal zulässige Temperatur im Zylinder nicht überschritten wird. Die Katalysatoren in den Brennkammern sorgen für eine vollständigere Oxidation des Brennstoffes, d.h. seiner chemischen Komponenten. Somit entfällt der Austritt von Schadstoffen, die aufgrund einer unvollständigen Oxidation entstehen, bzw. wird die Bildung der Schadstoffe zumindest vermindert. In Dieselmotoren fördert beispielsweise Platin in der Brennkammer die Umwandlung des Kohlenstoffes im Dieselöl in Kohlendioxid (C02). Auch wird einer Russbildung entgegengewirkt, da Russ freier Kohlenstoff ist. Bei Benzinmotoren bilden sich bei der Verbrennung Stickoxide. Ein entsprechender Katalysator,der zur Zeit im Auspuff verwendet wird, fördert die Auflösung des Stockoxides in seine Komponenten. Wenn nun ein solcher Katalysator in der Brennkammer angeordnet wäre, würde er die Bildung von Stickoxiden behindern und bereits gebildetes Stickoxid wieder auflösen helfen. Das Katalysatorenmaterial ist auf Keramikgitter aufgetragen und so in der Brennkammer montiert. Die Wärmemenge, die dann in der Brennkammer verlorengehen würde, wenn endothermische Verbindungen, wie Stickoxide, entstehen, oder wenn Kohlenstoff nur zu Kohlenmonoxid verbrennt, bleibt nun erhalten, bzw. wird freigesetzt. Sie kann nun im Motor zur Umwandlung in kinematische Energie verwandelt werden.
  • Bei Brennbetrieb der Brennkraftmaschine wird nicht klopffestes Benzin mit niedriger Oktanzahl verwendet. Die Zündung erfolgt jedoch auch hier nach dem Dieselprinzip, die im Zylinder verdichtete Ladeluft weist aus den vorgehend genannten Gründen eine genügend hohe Temperatur auf, um beim Einspritzen des Brennstoffes die chemischen Umsetzungen, also die Verbrennung, zu ermöglichen. Für den Dieselbetrieb erübrigt sich offensichtlich eine weitere Erklärung. Ein Klopfen der Brennkraftmaschine ist darum unmöglich, weil der Arbeitskolben 4 nicht mit einer Kurbelwelle verbunden ist.
  • Das Einspritzen des Brennstoffes erfolgt nicht möglichst schnell, sondern dosiert, so dass sich der Druck in der jeweiligen Verbrennungskammer möglichst langsam senkt, um dann bei Beendigung der Brennstoffzufuhr und nachfolgendem Freigeben der Auslassschlitze 57 stark zu fallen. Der Grund dazu ist, dass ein solcher Druckverlauf in zyklischer Folge leichter auszugleichen ist.
  • Nach erfolgter Verbrennung und dem Freigeben der Auslassschlitze 57 strömen die Verbrennungsgase in das Auspuffrohr 58, an welchem seitlich die Schmierölwanne 56 angeordnet ist, und danach durch den Auspuff 62 ins Freie.
  • Bei jeder Verbrennung in einer der Verbrennungskammern 9,10 wird der Kolben 4 jeweils gegen die entgegengesetzt gelegene Verbrennungskammer bewegt. In dieser Verbrennungskammer wird durch den Kolben die Ladeluft verdichtet. Gleichzeitig erfolgen aufgrund der Bewegung des Kolbens 4 die entsprechenden Bewegungen der mit diesem festverbundenen Kolben 5,6. Nachdem der Kolben 4 eine gewisse Hubstrecke durchgeführt hat, gibt er die Auslassschlitze 57 frei. Bereits vor dem Freigeben der Auslassschlitze 57 hat sich das Gas in der jeweiligen Verbrennungskammer durch abgegebene Arbeit, nämlich die Umsetzung der Wärmeenergie des Gases (Druck, entstehend durch die Eigenbewegung der Gasmoleküle) in kinetische Energie (Kraft der Kolbenbewegung) abgekühlt, und damit hat sich auch der Gasdruck gesenkt. Bei der Freigabe der Auslassschlitze 57 nun fällt der Druck, der in der jeweiligen Verbrennungskammer vorherrscht, schlagartig ab. Damit wird das jeweilige Einlassventil 20 bzw. 21, das dem Ladeluftspeicher 12 mit der jeweiligen Verbrennungskammer 9,10 verbindet, geöffnet und neue Frischluft kann in die jeweilige Verbrennungskammer strömen und die Restmenge der Verbrennungsgase durch die Auslassschlitze 57 aus dem Zylinder 1 hinausspülen.
  • Der Verlauf der Flüssigkeit während des Dauerbetriebes der Brennkraftmaschine ist wie folgt. Der Kolben 5 der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 fördert durch das jeweilige Auslassventil 25,27 die Flüssigkeit in die Auslassleitung 70. Die Arbeitsflächen der Kolben der Brennstoffeinspritzpumpe 39 und der zwei Schmiermittelpumpen 44,47 sind gegen die Auslassleitung 70 offen, d.h. die Flüssigkeit in der Auslassleistung 70 kann auf diese drei Kolben einwirken. Damit werden bei jedem Pumpenhub des Kolbens 5 der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 die drei Kolben 40,49,51 gegen die Kraft ihrer jeweiligen Federn bewegt und pumpen somit den Brennstoff, bzw. das Schmiermittel. Wenn der Kolben 5 der Flüssigkeitspumpe 2 einen seiner Totpunkte erreicht und damit ein Druckabfall in der Auslassleitung 70 stattfindet, werden die drei Kolben 40,49, 51 durch ihre jeweiligen Federn 41,50,52 in die Ausgangsstellung zurückbewegt und die zu pumpende Flüssigkeit angesaugt. Die Flüssigkeit in der Auslassleitung 70 strömt durch das Umschaltventil 88 und danach zum Windkessel 60. Im Windkessel 60 ist unter Druck stehende Luft vorhanden. Die von der Auslassleitung 70 herströmende Flüssigkeit wird in den unteren Bereich des Windkesscls 60 eingeführt. Da die zugeförderte Flüssigkeit unter Druck steht, wird der Luftdruck über derselben im Windkessel 60 erhöht. Der Flüssigkeitsauslass des Kessels 60 ist mit einem Drosselventil 64 ausgerüstet. Dieses Drosselventil 64 ist von einem Druckmessfühler 63 gesteuert, der den im Windkessel 60 vorhandenen Druck abtastet. Der Druckmessfühler 63 steuert das Drosselventil 64 derart, dass je höher der Druck im Windkessel 60 ist, desto kleiner die Ventilöffnung ist. Dadurch werden die zyklischen Aenderungen des von der Pumpe 2 herrührenden Flüssigkeitsdruck; zum grössten Teil ausgeglichen.
  • Vom Windkessel 60 strömt die Flüssigkeit durch das oben erwähnte Drosselventil 64 zur Flüssigkeitsturbine 66, in welcher in bekannter Weise der Druck, der sich aus der Bewegungsenergie der Flüssigkeit ergibt, in die Kraft der rotierenden Turbinenwelle umgewandelt wird. Nach der Flüssigkeitsturbine strömt die Flüssigkeit durch die Rückführleitung 68 zum Einlassventil 24 oder zum Einlassventil 26 der Flüssigkeitspumpe 2 zurück.
  • Eine Variante der Ausführung ist in der Fig. 2 dargestellt. Dabei ist davon ausgegangen, dass in den Verbrennungskammern 9,10 keine Katalysatoren vorhanden sind.
  • Bei dieser Variante ist im Auspuffrohr 58 ein Katalysator 90 eingesetzt. Das Auspuffrohr 58 führt jedoch nicht unmittelbar ins Freie, sondern ist einer Abgasturbine 91 zugeführt, von welcher der Auspuff 62 ins Freie führt. Die Abgasturbine 91 ist über eine Welle 94 mit einem Pumpenrad 92 verbunden. Die durch die Auslassleitung 70 zuströmende Flüssigkeit strömt wie bei der Variante nach Fig. l in den Windkessel 60 und von diesem durch das Drosselventil 64 in die Turbine 66 mit der Abtriebswelle 67.
  • Der Auslass der Turbine 66 ist nun gemäss der Variante nach Fig. 2 über die Rückführleitung 68 dem Pumpenrad 92 zugeführt.
  • Von diesem Pumpenrad 92 strömt die Flüssigkeit zur Flüssigkeitskolbenpumpe 2 (siehe Fig. l) zurück. Durch Ausnützung von im Abgas vorhandener Energie wird somit eine Wirkungsgradverbesserung der Brennkraftmaschine erreicht.
  • Wird die Last der Brennkraftmaschine erhöht oder die Brennstoffzufuhr verringert, verringert sich auch der Hub des Kolbens 4 und somit verringert sich auch die Leistung der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 und der Ladeluftpumpe 3. Um nun jedoch sicherzustellen, dass auch bei verkürztem Hub des Arbeitskolbens 4 eine genügende Menge der Ladeluft gefördert wird, muss die Ladeluftpumpe 3 überdimensioniert sein. Da sich jedoch dann bei Dauerbetrieb ein zu hoher Ueberdruck im Ladeluftspeicher 12 einstellen würde, ist das Sicherheitsventil 14, das als Ueberdruckventil arbeitet, angeordnet, durch welches solche überschüssige Luftmenge ins Freie entweicht, die bei überschüssigem Luftdruck aufgrund von Störungen durch Mangel an Schmieröl, durch zu hohen Winddruck auf den Ansaugstutzen der Ladeluftpumpe 3.
  • Bei verringerter Hubstrecke des Kolbens 5 der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 ergibt sich jedoch auch eine entsprechend verringerte Förderleistung der Brennstoffeinspritzpumpe 39. Aus diesem Grund ist auch die Brennstoffeinspritzpumpe 39 überdimensioniert. Die Steuerung des Betriebes der Brennstoffeinspritzpumpe 39 erfolgt mittels des Brennstoffdrosselventils 73 und des Sicherheitsventils 74. Damit ist es möglich, die dem Zylinder 1 zugeführte Brennstoffmenge unabhängig vom Hub des Kolbens 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39 zu steuern. Vermindert sich der Hub des Kolbens 40 der Brennstoffeinspritzpumpe 39, erfolgt ein Druckabfall in der Pumpe, welcher vom Druckfühler 72 abgetastet wird und entsprechend das Brennstoffdrosselventil 73 mehr öffnet. Ist der Hub grösser, bewirkt der Druckfühler 72, der den entsprechend höheren Druck abtastet, ein Schliessen des Drosselventiles 73. Steigt der Druck innerhalb der Brennstoffeinspritzpumpe 39 über einen festgelegten Wert, öffnet das Sicherheitsventil 74, so dass überschüssige Brennstoffmenge zurück zum Brennstoffzufuhrrohr 48 oder alternativ zum Brennstoffspeicherbehälter zurückgeführt wird. Wenn die Brennstoffeinspritzpumpe 39 nicht mit dem Druckfühler 72 und dem Drosselventil ausgerüstet wäre, würde bei willkürlicher z.B. manueller Drosselung der Brennstoffzufuhr der Motor aufgrund ungenügender Brennstoffmenge abstellen. Bei willkürlicher z.B. manueller Erhöhung der Brennstoffzufuhr würde die Brennkraftmaschine zu stark erhitzen.Der Druckfühler 72 mit dem Drosselventil 73 verhindert dieses Ueberhitzen,indem die zugeführte Brennstoffmenge automatisch vermindert wird. Das heisst, dass falls das Brennstoffdrosselventil 73 durch manuelle Betätigung in eine Stellung gesteuert wurde, die nicht die zum Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine bemessene Brennstoffmenge dem Zylinder 1 zuführen würde, diese Falschstellung durch die aus Druckfühler 72 und Drosselventil 73 gebildete Steueranordnung unverzüglich korrigiert wird.
  • Die Freikolben-Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine Anzahl Vorteile aus. Erstens weist sie einen hohen thermischen Wirkungsgrad auf. Die Hubstrecke des Kolbens 4 ist variabel, jedoch ist die durch die Verbrennung entstehende Kraft mit der durch die Turbinenwelle 67 abgegebenenLeistung unelastisch verbunden, und zwar durch die Kombination von Flüssigkeitspumpe 2 und Turbine 66. Die Energie wird durch eine Flüssigkeit übertragen, und bekanntlich sind Flüssigkeiten in der Praxis inkompressibel, währenddem Gas kompressibel und daher elastisch ist. Da die Energie durch einen Freikolbenmotor erzeugt wird, der die Flüssigkeitspumpe 2 betreibt, und da der Kolbenhub nicht durch Pleuel und Kurbelwelle vorgeschrieben ist, kann sich der Kolbenhub optimal an die Last anpassen. Bei unveränderlichem Kolbenhub und variabler Last geht Kraft verloren, wenn die Last geringer ist, als Kolben und Hub maximal verkraften könnten. Bei zu grosser Last wird bekanntlich der Motor abgewürgt, wenn im Falle eines Getriebes dasselbe nicht rechtzeitig geschaltet wird. Auch ist die Auslastung zwischen zwei Getriebestufen nie optimal. Die hier vorhandene unelastische hydraulische Kupplung zwischen der Last und dem Freikolbenmotor mit variablem Hub vermindert hingegen Energieverluste, sowie auch Verluste, die durch andere unerwünschte Nebenwirkungen entstehen, z.B. DruckGradienten in Gasen. Weiter muss bei dieser Brennkraftmaschine keine zusätzliche Energie zum Ausgleichen in unerwünschter Form anfallender Energie verwendet werden, welches beispielsweise bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen aufgrund der dort notwendigen Kühlung der Fall ist. Katalysatoren sind entweder in den Verbrennungskammern angeordnet, so dass dort die chemische Energie des Brennstoffes vollständig ausgenützt wird, oder dann ist ein Katalysator im Abgasrohr angeordnet.
  • Weiter zeichnet sich die Brennkraftmaschine durch eine grosse Einfachheit der Konstruktion aus. Sie weist nur zwei grosse bewegliche Teile auf, nämlich die aus den drei Kolben bestehende Anordnung und den Turbinenrotor. Damit lässt sich die Brennkraftmaschine kostengünstig herstellen und ist offensichtlich wenig störanfällig. Die verschiedenen Ventile sind grösstenteils selbstgesteuerte, federbelastete, im Handel erhältliche Einheiten. Wo eine automatische Ventilsteuerung erfolgt, ist die entsprechende Vorrichtung so einfach wie möglich aufgebaut. Eine manuelle Steuerung ist grundsätzlich auf ein Ventil, nämlich das Brennstoff- drosselventil 73, beschränkt, d.h. beim Anfahren auf vier Ventile (zusätzlich zum Brennstoffdrosselventil 73, das Umschaltventil 88, das Entlüftungsventil 35, sowie das Absperrventil 34). Die Brennstoffkraftmaschine kann grundsätzlich mit nur einem einzigen Zylinder gebaut sein. Der Windkessel 60 sorgt zusammen mit dem Ventil 64 dafür, dass der in die Turbine 66 eintretende Flüssigkeitsstrom keinen grösseren Druck- und Mengen- änderungen unterworfen ist. Müsste zwecks Gleichförmigkeit der Rotation 7 ein Schwungrad verwendet werden, könnte der Turbinenrotor derart schwer konstruiert werden, dass er selbst als Schwungrad dienen könnte. Falls das Gewicht der Brennkraftmaschine und die Brennstoffkosten nicht erste Priorität haben, kann die Turbine als Pelton-Turibne ausgebildet sein. Für einen langzeitigen Dauerbetrieb genügt eine Flügelrad-Turbine. Für variable Last wird eine Kaplan-Turbine eingesetzt. Mit letzterer weist dann die Brennkraftmaschine eine stufenlos regelbare Energieübertragungsvorrichtung auf.
  • Die Brennkraftmaschine ist kostengünstig, da nur wenige Teile derselben aus Stoffen hergestellt sein müssen, an die besondere Ansprüche gestellt werden. Der Zylinder 1 ist aus einem hitzebeständigen, gut wärmeleitfähigen Stoff, der widerstandsfähig gegen eine elastische Verformung ist, beispielsweise aus einer SiAl-Legierung. Der Arbeitskolben 4 des Zylinders, sowie die Einlassventile zum Zylinder und insbesondere deren Federn bestehen aus einem hitzebeständigen Werkstoff. Schliesslich besteht auch der Windkessel aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff. Alle anderen Bauteile der Brennkraftmaschine können aus Stahl und/oder Duraluminium und Grauguss sein. Weiter sind mit Ausnahme der am Zylinder 1 angeordneten Ventile alle Ventile genormte Erzeugnisse, die im Handel frei erhältlich sind. Weiter benötigt die Herstellung der Brennkraftmaschine nur einfache Fertigungsverfahren, keine teuren und schwierig zu bearbeitende Werkstoffe und auch keine Spezialwerkzeuge.
  • Zudem kann die Brennkraftmaschine sehr gedrängt gebaut sein. Um eine annehmbar ausgeglichene Leistung abzugeben, ist grundsätzlich lediglich ein Zylinder 1 notwendig. Jeder Takt des Freikolbens ist gleichzeitig ein Verdichtungs- und ein Arbeitstakt. Obwohl die Maschine als Zweitakter arbeitet, ergibt sich eine doppelte Leistungsabgabe pro Zeiteinheit im Vergleich mit einer herkömmlichen Einzylinder-Zeitaktmaschine und die vierfache einer Einzylinder-Viertaktmaschine. Auch bei der Flüssigkeitskolbenpumpe 2 und bei der Ladeluftpumpe 3 ist jeder Takt gleichzeitig ein Ansaug- und Arbeits(pump) takt. Durch das mit Druckluft erfolgende Spülen des Zylinders werden die Verbrennungsgase im Vergleich mit einer Viertaktmaschine vollständiger ausgestossen, denn bei den Viertaktmaschinen bleibt im Zylinderabschnitt beim Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens immer ein Gasrest zurück.

Claims (9)

1. Freikolben-Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder (1),mit einem darin längsverschiebbar geführten, doppelt wirkenden Arbeitskolben (4), und mit einer Ladeluftpumpe (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) zur Bildung eines Ladeluftspeichers (12) einen Aussenmantel (11) aufweist, dass die Ladeluftpumpe (3) einen doppelt-wirkenden Verdichterkolben (6) aufweist, der über eine Kolbenstangenanordnung (7,8) mit dem Arbeitskolben (4) verbunden ist, und welche Ladeluftpumpe (3) über eine Ladeluftleitung (16) mit dem Ladeluftspeicher (12) verbunden ist.
2. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im den Ladeluftspeicher (12) bildenden, zwischen dem Aussenmantel (11) und der Wand (23) des Zylinders (1) gelegenen Mantelraum den Aussenmantel (11) mit der Zylinderwand (23) verbindende Kühlrippen (53) angeordnet sind, dass im Aussenmantel (11) ein Hauptladelufteinlassventil (22) angeordnet ist, durch welches die durch die Ladeluftleitung (16) zugeförderte Ladeluft in den Ladeluftspeicher (12) eintritt, dass der Zylinder (1) beim einen Ende eine erste (9) und beim entgegengesetzten Ende eine zweite Verbrennungskammer (10) aufweist, in der Zylinderwand (23) ein erstes (20), den Ladeluftspeicher (12) mit der ersten Verbrennungskammer (9) und ein zweites, den Ladeluftspeicher (12) mit der zweiten Verbrennungskammer (10) verbindendes Ladelufteinlassventil (21) angeordnet ist, und dass die Verbrennungskammern (9,10) über Auspuffschlitze (57) mit einem Auspuffrohr (58) in Verbindung stehen.
3. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangenanordnung (7,8) mit einem doppelt wirkenden Kolben (5) einer Flüssigkeitskolbenpumpe (5) verbunden ist, deren Auslassleitung (70) einem Windkessel (60) zugeführt ist, an welchem eine Flüssigkeitsturbinenvorrichtung (66,67) anschliesst, deren Auslass über eine Rückführleitung (68) mit der Klüssigkeitskolbenpumpe (2) verbunden ist.
4. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Brennstoffpumpenvorrichtung (39) mit einem federbelasteten Kolben (40) und ein Schmierstoffpumpenvorrichtung (44,47) mit federbelasteten Kolben (49,51), welche Kolben (40,49,51) über die Auslassleitung (70) von der durch die Flüssigkeitskolbenpumpe (2) geförderten Flüssigkeit beaufschlagt sind, derart, dass jede Pumpenvorrichtung (39,44,47) durch die Flüssigkeitskolbenpumpe (2) getrieben ist.
5. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anfahrvorrichtung mit einem Anfahrzylinder (36) und darin längsverschiebbar angeordneten, über eine Kolbenstange (38) mit dem Kolben (40) der Brennstoffpumpenvorrichtung (39) verbundenen Anfahrkolben (37), welcher Anfahrzylinder (36) über eine Luftzufuhrleitung (33) mit einem Absperrventil (34) mit dem Ladeluftspeicher (12) verbunden ist und ein Entlüftungsventil (35) aufweist, welche Ventile (34,35) durch eine vom Anfahrkolben (37) betätigte Steuervorrichtung (43,86,87) gesteuert sind.
6. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (43,86,87) federbelastete.Schwenkarme (86,87) aufweist, die mit dem Absperrventil (34) bzw. Entlüftungsventil (35) verbunden sind und durch Längsschlitze (46) des Anfahrzylinders (36) in dessen Innenraum ragen, welche Schwenkarme (86,87) durch den Anfahrkolben (37) auslenkbar sind.
7. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auslassleitung (70) der Flüssigkeitskolbenpumpe (2) ein Umschaltventil (88) angeordnet ist, welches beim Anfahren der Brennkraftmaschine in einer Schaltstellung ist, bei welcher die Auslassleitung (70) der Flüssigkeitskolbenpumpe (2) unter flüssigkeitsseitiger Umgehung der Flüssigkeitsturbinenvorrichtung (66,67) unmittelbar mit der Rückführleitung (68) verbunden ist.
8. Freikolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Verbrennungskammer (9,10) ein Katalysator (15,17) angeordnet ist.
9. Freikolben-Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Auspuffrohr (58) ein weiterer Katalysator (90) angeordnet und das Auspuffrohr (58) einer Abgasturbine zugeführt ist, deren Turbinenrad (91) mit einem Flüssigkeitspumpenrad (92) antriebsverbunden ist, welches die der Flüssigkeitsturbine (66) ausströmende Flüssigkeit durch die Rückführleitung (68) zur Flüssigkeitskolbenpumpe (2) fordert.
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