EP1232335A1

EP1232335A1 - Freikolbenmotor

Info

Publication number: EP1232335A1
Application number: EP00981162A
Authority: EP
Inventors: Rudolf SCHÄFFER; Jörg Dantlgraber
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2002-08-21
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: JP2003524727A; EP1232335B1; WO2001038706A1

Abstract

Offenbart ist ein Freikolbenmotor, dessen Motorkolben in Kompressionsrichtung über einen Hydraulikzylinder mit einer Kraft beaufschlagbar ist. Dieser kann über ein Umschaltventil mit dem Druck in einer Hochdruckspeichereinrichtung oder in einem Niederdruckspeicher verbunden werden. Erfindungsgemäss ist zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Umschaltventil eine Ventilanordnung mit einem Steuerkolben vorgesehen, durch dessen Steuerkante eine Verbindung zur Hochdruckspeichereinrichtung aufsteuerbar ist.

Description

Beschreibung

Freikolbenmotor

Die Erfindung betrifft einen Frei kolben otor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Frei olbenmotor ist im Prinzip ein nach dem 2-Takt-Verfah- ren arbeitender Verbrennungsmotor, bei dem anstelle eines Kurbel- tnebes ein Hydraul l kkreis mit Kolbenpumpe als Antriebsstrang nachgeschaltet ist. Dazu ist der Motorkolben mit einem Hydraulikzylinder verbunden, über den die wahrend eines Motorarbeitstaktes erzeugte translatoπsche Energie ohne den klassischen Umweg über die Rotationsbewegung eines Kurbel tπebes direkt dem hydraulischen Arbeitsme- dium zugeführt wird. Der nachgeschaltete, speicherfahige Hydraulik- kreislauf ist derart ausgelegt, daß er die abgegebene Arbeit aufnimmt, zwischenspeichert und e nach Leistungsbedarf einer hydraulischen Abtriebseinheit, beispielsweise einer Axial kolben aschine zufuhrt.

In der DE 40 24 591 AI ist ein Frei kolbenmotor der gattungsge- maßen Art beschrieben, der auch als Brandl -Frei kolbenmotor bekannt ist. Bei diesem Konzept erfolgt die Kompressionsbewegung des Motorkolbens durch Zusammenwirken mit einem Hydraul l kkolben, der über ein 2/3-Wege-Umschal tventi 1 mit einem Hochαruckspeicher oder einem Nie- derdruckspeicher verbindbar ist. Zu Beginn des Kompressionshubes erfolgt eine Beschleunigung des Motorkolbens durch Beaufschlagen des Hydraulikzylinders mit dem Druck im Hochdruckspeicher. Bei Erreichen einer vorbestimmten Motorkolbengeschwindigkeit wird der Hydraulikzy- linder über das Umschal tventi 1 mit dem Niederdruckspeicher verbunden, so daß der weitere Kompressionshub des Motorkolbens gegen die wirksame Kraft aus dem Kompressionsdruck des Arbeitsgases erfolgt. Nach dem Erreichen des äußeren Totpunktes (AT) wird das Arbeitsgas gezündet und der Motorkolben in Richtung des inneren Totpunktes (IT) beschleunigt. Wahrend dieser Kolbenbewegung vom AT zum IT wird über das Umschal tventi 1 die Verbindung zum Hochdruckspeicher aufgesteu- ert, so daß der Motorkolben abgebremst und dessen kinetische Energie in potentielle hydraulische Energie umgewandelt und der Hochdruckspeicher geladen wird. Obwohl die Schaltzeiten des Umschaltventiles im Millisenkundenbereich liegen, entstehen beim Auf- und Zusteuern der Verbindung zum Hochdruckspeicher im Umschaltventil Drossel Verluste, die in der Größenordnung von 10 % der Motorleistung liegen können.

Diese Nachteile des Brandl-Freikolbenmotors lassen sich mit ei- ner anderen Frei kolbenbauart, dem sogenannten INNAS-Motor ausräumen, wie er beispielsweise in der EP 0613521 Bl offenbart ist. Ein derartiger Motor hat jedoch einen äußerst komplexen Aufbau, so daß der vorrichtungstechnische Aufwand wesentlich größer als bei einem Brandl -Motor ist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Frei kolbenmotor derart weiterzubilden, daß die Drossel - Verluste bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand verringert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Frei olbenmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist zwischen einem einen Hydraul i kkolben auf- nehmenden Hydraulikzylinder und einem Umschaltventil zur wähl weisen hydraulischen Verbindung des Hydraulikzylinders mit einer Hochdruckspeichereinrichtung oder einem Niederdruckspeicher eine Ventil anord- nung mit einem Steuerkolben geschaltet, über den der Hydraul i kkolben mit einer vom Ausgangsdruck am Umschaltventil oder vom Druck im Hochdruckspeicher abhängigen Druckkraft beaufschlagbar ist.

Da zur Ansteuerung des Motorkolbens lediglich der auf den Ventil körper der Übersetzungsventil anordnung wirkende Druck auf- bzw. abgebaut werden muß, kann das Umschaltventil für einen wesentlich geringeren Durchfluß als beim Stand der Technik ausgelegt werden, so daß kurze Schaltzeiten bei minimalen Drossel Verlusten realisierbar sind.

Der Steuerkolben ist erfindungsgemäß mit einer Steuerkante aus- geführt, über die eine Verbindung zum Hochdruckspeicher aufsteuerbar ist. Der Steuerkolben holt sich somit seine Schaltenergie über seine eigene Steuerkante aus der Hochdruckspeichereinrichtung, so daß die über das Umschaltventil strömende Druckmittelmenge lediglich zur Initiierung der AufSteuerbewegung des Steuerkolbens benötigt wird und somit minimal ist.

Durch das erfindungsgemäße Zwischenschalten der Ventilanordnung können die über das Umschaltventil strömenden Druckmittelmengen minimiert werden, so daß die Druckverluste beim Öffnen und Schließen der Verbindung zum Hochdruckspeicher minimal sind.

Die Querschm^'ttsflache des Steuerkolbens wird vorteilhafter Weise größer als diejenige des Hydraul ikkolbens ausgebildet, so daß aufgrund des gewählten Übersetzungsverhältnisses ein vergleichsweise geringer Hub des Steuerkolbens ausreicht, um eine hinreichende Beschleunigung des Motorkolbens zu bewirken.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Öffnungsbewegung des Steuerkolbens durch einen Anschlag begrenzt. Nach dem Auflaufen des Steuerkolbens auf diesen Anschlag erfolgt kein weiterer Druckaufbau im Hydraulikzylinder, so daß keine weitere Beschleunigung des Motorkolbens erfolgt. D.h., erfindungsgemäß wird das beim Stand der Technik erforderliche Schließen des Umschaltventils durch das Auflaufen des Steuerkolbens auf den Anschlag ersetzt, so daß die beim Schließen des Umschaltventils auftretenden Drossel Verluste praktisch nicht auftreten können. Dieser Anschlag kann verstellbar ausgeführt sein, um die Maximalgeschwindigkeit des Motorkolbens anpassen zu können.

Die Rückstellung des Steuerkolbens während des Verbrennungshubes erfolgt im wesentlichen durch die Kraft der Steuerfeder, wobei für diesen Schließvorgang genügend Zeit zur Verfügung steht und ebenfalls praktisch keine Drossel Verluste auftreten.

Das Laden der Hochdruckspeichereinrichtung während des Verbren- nungshubes des Motorkolbens erfolgt über einen Hochdruckkanal, in dem ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Dieser Hochdruckkanal kann bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors über eine weitere Steuerkante des Steuerkolbens auf- bzw. zugesteuert werden, so daß der Ladevorgang von der Position des Steuerkol- bens abhängig ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors kann in dem zur Hochdruckspeichereinrichtung führenden Hochdruckkanal ein Wegeventil vorgesehen werden, über das ei- ne das darin vorgesehende Rückschlagventil umgehende Bypassleitung auf- bzw. zusteuerbar ist. Durch dieses Wegeventil kann der Hydrauli kkolben während des Kompressionshubes direkt mit dem Druck in der Hochdruckspeichereinrichtung beaufschlagt werden, während der Steuerkolben zunächst in seiner Schließstellung verbleibt. Nachdem der Hydraul i kkolben eine vorbestimmte Beschleunigung oder Geschwindigkeit erreicht hat, wird dann die Bypassleitung zugesteuert, so daß die weitere Bewegung des Hydraulikkolbens in der vorbeschriebenen Weise durch den Steuerkolben bestimmt ist.

Das Wegeventil kann optional mit einer Schaltstellung versehen werden, in der der Hochdruckkanal mit dem Tank verbindbar ist, so daß der Freikolben praktisch ohne Gegendruck in Richtung seines inneren Totpunkts fahrbar ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Variante des Frei olbenmotors ist der Steuerkolben als Stufenkolben ausgeführt, wobei die in Öffnungsrichtung wirksame Ringfläche über den Niederdruckkanal mit einem Rückschlagventil mit dem Niederdruckspeicher verbunden ist. In Schließrichtung wird die größere Ringstirnfläche des Steuerkolbens mit dem Druck im Hydrauli zylinder des Hydraul i kkolbens und durch die Kraft der Steuerfeder beaufschlagt. Bei dieser Variante wird wahrend der gesamten Offnungsbewegung des Steuerkolbens Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher angesaugt. Durch dieses gleichmäßige Nachsaugen von Druckmittel über praktisch den gesamten Bewegungsbereich des Steuerkolbens können Kavitationen im Hydraulikzylinder verhindert werden, die bei den vorbeschriebenen Losungen auftreten können, da dort das Nachsaugen im wesentlichen dann erfolgt, wenn der Hydraulik- bzw. Motorkolben seine Maximaigeschwindigkeit beim Auflaufen des Steuerkolbens auf den Anschlag erreicht hat.

Der Ringraum des Stufenkolbens ist über einen Druckkanal mit dem Hochdruckspeicher verbunden, so daß bei der Ruckbewegung des Steuerkolbens ein Aufladen der Hochdruckspeichereinrichtung erfolgt.

Die rückwärtige Umfangskante der größeren Stirnflache des stu- fenforππg ausgebildeten Steuerkolbens wird vorzugsweise derart ausgebildet, daß diese kurz vor dem Auflaufen des Steuerkolbens auf seinen Ventilsitz den Hochdruckkanal aufsteuert, so daß die kinetische Energie des Motor- bzw. Hydraul l kkolbens zum Laden der Hoch- druckspeichereinπchtung ausgenutzt wird.

Vorversuche zeigten, daß der Druck in der Hochdruckspeichereinrichtung aufgrund anderer angeschlossener Verbraucher relativ stark schwanken kann, was zu Unstetigkei ten wahrend des Kompressionshubes des Frei kolbenmotors fuhren kann. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird in einer weiteren vorteilhaften Variante vorgeschlagen, die Hochdruckspeichereinrichtung mit einem Mi tteldruckspeicher und einem Hochdruckspeicher auszufuhren, wobei die für den Kompressionshub erforderliche Energie dem Mi tteldruckspeicher entnommen wird. Dieser ist über eine geeignete Venti leinπchtung an den Hochdruckspeicher angeschlossen und wird auf einen Druckniveau gehalten, das unterhalb des Mimmalni veaus des Hochdruckspeichers liegt. Bei Überschreiten eines Grenzdrucks kann der Druck im Mi tteldruckspeicher zum Nieder- druckspeicher hin abgebaut werden. Bei der Rückbewegung des Motorkolbens zum inneren Totpunkt hin wird dann vorteilhafter Weise der den Mitteldruckspeicher speisende Hochdruckspeicher aufgeladen.

Bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Freikolbenmo- tors wird der Hydrauli kkolben als Differential kolben ausgeführt, wobei ein vom Differential kolben begrenzter Ringraum während des Expansionshubes und der Ringraum eines abgestuften Steuerkolbens während des Kompressionshubes mit dem Niederdruckspeicher verbindbar sind.

Der erfindungsgemäße Frei kolbenmotor läßt sich besonders kompakt ausbilden, wenn die Übersetzungsventilanordnung koaxial zur Motorkolbenachse ausgeführt ist.

Die Ventil anordnung wird vorzugsweise als Logikventil oder Schieberventil ausgeführt.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen- stand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Frei kolbenmotors;

Figuren 2 bis 6 verschiedene Arbeitsphasen des in Figur 1 dar- gestel lten Ausführungsbeispiels;

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frei kolbenmotors;

Figur 8 ein Ausführungsbeispiel eines Frei kolbenmotors mit ei- nem Wegeventil zur hydraulischen Begrenzung der Motorkolbengeschwindigkeit; Figur 9 ein Ausführungsbeispiel eines Frei kolbenmotors mit einen als Stufenkolben ausgeführten Steuerkolben

Figur 10 eine Variante des Frei kolbenmotors gemäß Figur 9 mit einem als Differentialzyl inder ausgeführten Hydrauli kkolben und

Figur 11 ein Ausführungsbeispiel eines Frei olbenmotors mit einem Mitteldruckspeicher.

Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Frei olbenmotors 1. Dieser hat ein Motorgehäuse 2, durch das zumindest ein Verbrennungszylinder 4 (rechts von der strichpunktierten Linie in Figur 1) und ein Hydrauli zylinder 6 (links von der strichpunktierten Vertikal-Linie) begrenzt sind.

In einer Zylinderbohrung 8 des Verbrennungszylinders 4 ist ein Motorkolben 10 geführt, über den die Zylinderbohrung 8 in einen Verbrennungsraum 16 und einen Einlaßraum 18 unterteilt ist. In der dar- gestellten Wartestellung des Frei kolbenmotors 1 befindet sich der Motorkolben 10 an seinem inneren Totpunkt (IT), wobei ein Auslaßkanal 14 aufgesteuert ist, so daß Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum 16 abströmen können. Die Zuführung von Frischgas erfolgt über einen in den rückseitigen Einlaßraum 18 mündenden Einlaßkanal 20 mit Einlaßventil. Der Einlaßraum 18 und der Verbrennungsraum 16 sind mittels eines Überströmkanals 22 miteinander verbunden.

Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum 16 erfolgt über ein Einspritzventil 24 im Zylinderkopf des Verbren- nungszyl Inders 4. Zur Kühlung des Frei kolbenmotors 1 sind in der Um- fangswandung des Verbrennungszylinders 4 Kühlkanäle 27 ausgebildet. Insofern entspricht der Frei kolbenmotor 1 einem herkömmlichen Zweitaktmotor, so daß weitere Ausführungen entbehrlich sind.

Der Motorkolben 10 trägt einen Hydraul i kkolben 26, dessen Durchmesser wesentlich geringer als derjenige des Motorkolbens 10 ist. Dieser Hydraul i kkolben 26 taucht in eine gestufte Axialbohrung 28 des Hydraulikzylinders 6 ein.

In der vom Hydrauli kkolben 26 durchsetzten Verbindungsbohrung zwischen der Axial bohrung 28 und dem Einlaßraum 18 sind geeignete

Dichteinrichtungen vorgesehen, so daß die im Verbrennungszylinder 4 und im Hydraulikzylinder 6 aufgenommenen Medien voneinander getrennt sind.

In der Axial bohrung 28 des Hydraulikzylinders mündet ein radial angeordneter Hochdruckkanal 30, der über ein Rückschlagventil 32 mit einem Hochdruckspeicher 34 verbunden ist. In entsprechender Weise ist ein Niederdruckspeicher 36, beispielsweise ein Druckmitteltank, über einen Niederdruckkanal 38 und ein Rückschlagventil 40 mit dem durch die Axialbohrung 28 begrenzten Raum verbunden. Das Rückschlagventil 40 unterbindet eine Rückströmung des in der Axial bohrung 28 aufgenommenen Druckmittels zum Niederdruckspeicher 36, während das Rückschlagventil 32 eine Rückströmung des im Hochdruckspeicher 34 aufgenommenen Druckmittels in die Axial bohrung 28 verhindert.

Der Hydraul i kkolben 26 durchsetzt die Axialbohrung 28 und taucht in einen Steuerraum 42 ein, in dem ein als Logi kkolben ausgeführter Steuerkolben 44 geführt ist. Dieser ist mittels einer Steuerfeder 46 gegen einen Ventilsitz 48 vorgespannt.

In dem an den Ventilsitz 48 angrenzenden Bereich des Steuerraums 42 mündet ein Druckkanal 50, der einerseits mit dem Hochdruckspeicher 34 und andererseits mit einem Eingangsanschluß P eines Umschaltventils 52 verbunden ist.

Ein an die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 angrenzender Vorsteuerraum 54 ist über einen Steuerkanal 56 mit einem Ausgangs- oder Arbeitsanschluß A des Umschai tventi 1 s 52 verbunden. Dieses ist als elektrisch oder elektrohydraul isch angesteuertes 3/2-Wegeventil aus- geführt, das über die nicht dargestellte Motorsteuerung ansteuerbar ist. Neben den vorbeschriebenen Ausgangs- und Druckanschlüssen A, P hat das Umschaltventil 52 des weiteren noch einen Tankanschluß T, der an einen Tank oder den Niederdruckspeicher 36 angeschlossen ist.

In der dargestellten Grundposition des Umschaltventils 52 sind der Tankanschluß T und der Arbeitsanschluß A miteinander verbunden, während der Druckanschluß P abgesperrt ist. In einer Schaltstelluπg des Umschal tsventils 52 wird der Druckanschluß P mit dem Arbeitsanschluß A verbunden und der Tankanschluß T abgesperrt. Gemäß Figur 1 sitzt der Steuerkolben 44 in der Grundposition des Frei kolbenmotors 1 auf dem Ventilsitz 48 auf, so daß der Vorsteuerraum 54 und der Steuerraum 42 gegeneinander abgesperrt sind. Dabei wird der Steuerkolben 44 des Logikventils durch die Kraft der Steuerfeder 46 und durch den Druck in der Axialbohrung 28 und damit im rückseitigen Steuerraum 42 in Schließrichtung beaufschlagt, während er in Öff- nungsrichtung durch den Druck im Vorsteuerraum 54 beaufschlagt ist.

Wenn im Vorsteuerraum 54 und im Steuerraum 42 der Druck im Niederdruckspeicher 36 wirkt, wird der Steuerkolben 44 somit im wesentlichen durch die Kraft der Feder gegen den Ventilsitz 48 gedrückt.

Im Verbrennungsraum 16 befindet sich Frischgas, das durch den Überströmkanal 22 hindurch aus dem Einlaßraum 18 verdrängt wurde.

Zur Kompression des Frischgases wird das Umschaltventil 52 über die Motorsteuerung in eine zweite Schaltposition gebracht, in der gemäß Figur 2 der Druckanschluß P mit dem Arbei tsanschluß A verbunden sind, so daß Druckmittel aus dem Hochdruckspeicher 34 über den Druckkanal 50 und den Steuerkanal 56 in den Vorsteuerraum 54 eingespeist wird. D.h., die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 wird mit Hochdruck beaufschlagt, während im Steuerraum 42 noch Niederdruck wirksam ist. Durch die Druckdifferenz wird der Steuerkolben 44 von seinem Ventilsitz 48 abgehoben und über die durch die Umfangskante des Steuerkolbens 44 gebildete Steuerkante 58 die Verbindung zwischen dem Vorsteuerraum 54 und dem Druckkanal 50 aufgesteuert. Der Steuerkolben bekommt somit seine Beschleunigungsenergie in Abhängigkeit von der Steuerkantenöffnung, über die die Stirnfläche des Steu- erkolbens 44 direkt mit dem Druck im Hochdruckspeicher 34 beaufschlagt wird. Aufgrund der daraus resultierenden Axial bewegung des Steuerkolbens 44 wird auch der Hydraul i kkolben 26 beschleunigt und entsprechend der Motorkolben 10 in der Darstellung nach Figur 2 nach rechts bewegt - der Auslaßkanal 14 und der Überströmkanal 22 werden durch den Motorkolben 10 zugesteuert und das im Verbrennungsraum 16 vorhandene Frischgas wird komprimiert.

Durch das Rückschlagventil 40 wird verhindert, daß während der Steuerkolbenbewegung Druckmittel aus der Axial bohrung 28 in den Niederdruckspeicher 36 abströmt.

Aufgrund der Bewegung des Motorkolbens 10 zum äußeren Totpunkt AT hin wird Frischgas durch den Einlaßkanal 20 in den Einlaßraum 18 eingesaugt.

Gemäß Figur 3 läuft der Steuerkolben 44 nach einer vorbestimmten Strecke D auf einen Anschlag 60 im Steuerraum 42 auf. Der auf seine Maximalgeschwindigkeit beschleunigte Motorkolben 10 bewegt sich aufgrund seiner Massenträgheit weiter zum AT hin, wobei durch den in der Axial bohrung 28 entstehenden Unterdruck Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 über das Rückschlagventil 40 und den Niederdruckkanal 38 angesaugt wird. Die Position des Anschlags 60 ist so gewählt, daß die kinetische Energie des Motorkolbens 10 zum Zeit- punkt des Auflaufens des Steuerkolbens 44 auf den Anschlag 60 ausreicht, um den Motorkolben 10 gegen den polytrop anwachsenden Kompressionsdruck des Frischgases im Verbrennungsraum 16 zum AT hin zu bewegen. Dabei wird der Motorkolben 10 durch den Kompressionsdruck abgebremst und kommt im AT zu stehen.

Diese Phase ist in Figur 4 dargestellt. Sobald der Motorkolben 10 in seinem AT abgebremst ist, wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum 16 eingespritzt und durch die hohe Temperatur des Frischgases gezündet, so daß der Motorkolben durch den sich aufbauenden Verbren- nungsdruck im Verbrennungsraum 16 vom AT in Richtung zum IT beschleunigt wird (Figur 5). Aufgrund der daraus resultierenden Bewe- gung des Hydrauli kkolbens 26 hin zum Steuerkolben 44 baut sich in der Axial bohrung 28 und damit im Steuerraum 42 ein Druck auf, der gleich dem Druck im Speicher 34 abzüglich dem Druckäquivalent der Feder 46 ist, so daß der Steuerkolben durch die aus diesem Druck re- sul tierende Kraft und die Kraft der Steuerfeder 46 von seinem Anschlag 60 abgehoben, um die Strecke D verschoben und gegen seinen Ventilsitz 48 gedrückt wird. Dadurch wird die direkte Verbindung zum Hochdruckspeicher 34 zugesteuert, so daß der Steuerkolben 44 ledig lieh noch über das sich in seiner dargestellten Schaltposition be- findliche Umschaltventil mit Hochdruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist.

Nach dem Schließen des Logikventils steigt der Druck in der Axial bohrung 28 und im Steuerraum 42 auf den im Speicher 34 herr- sehenden Druck an.

Die weitere Bewegung des Motorkolbens 10 und des Hydraulikkolben 26 erfolgt gegen diesen Druck, so daß der Motorkolben 10 seine kinetische Energie gegen den Speicherdruck abbaut und abge- bremst wird. Durch den Druckanstieg bei geschlossenem Logikventil wird das Rückschlagventil 32 geöffnet und der Hochdruckspeicher 34 über den Hochdruckkanal 30 geladen. Nahezu die gesamte kinetische Energie des Motorkolbens 10 wird somit in potentielle Hydraulikenergie umgewandelt und direkt in den Hochdruckspeicher 34 eingespeist. Während der Bewegung des Motorkolbens 10 zu seinem IT hin werden der Auslaßkanal 14 und der Überströmkanal 22 aufgesteuert, so daß Frischgas durch den Überströmkanal 22 hindurch in den Verbrennungskanal 16 eintritt und daß Abgas durch den Auslaßkanal 14 ausgespült wird.

Beim Erreichen des IT wird das Umschaltventil 52 in seine Grundposition umgeschaltet, so daß die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 mit Niederdruck beaufschlagt ist. Die Kolbenlagen und Druckverhältnisse entsprechen nunmehr den Ausgangsverhältnissen, wie sie an- hand Figur 1 beschrieben sind. Durch Umschalten des Umschaltventils 52 kann ein neuer Arbeitszyklus beginnen. Die Beschleunigung des Motorkolbens 10 und damit das Verdichtungsverhältnis des Frei kolbenmotors 1 wird beim vorbeschriebenen Zyklus wesentlich durch die Länge der Strecke D beeinflußt, die der Steuerkolben 44 in der Beschleunigungsphase zurücklegt. Um während des Motorbetriebes abhängig vom Druck im Hochdruckspeicher 34 stets ein gleiches Verdichtungsverhältnis zu erreichen, kann der Anschlag 60 für den Steuerkolben 44 verstellbar ausgeführt sein. Diese Verstellung kann beispielsweise über die Motorsteuerung erfol- gen.

Bei der in Figur 7 dargestellten Variante mündet der Hochdruckkanal 30 im Steuerraum 42. Dadurch wird bewirkt, daß der Hochdruckkanal 30 durch eine am Kolbenhemd des Steuerkolbens 44 aus- gebildete weitere Steuerkante 62 auf- bzw- zugesteuert wird, so daß die Steuerbewegung des Steuerkolbens 44 weiter optimiert ist und ein schnelles Schließen des Logikventils gewährleistet ist. Im übrigen entspricht das in Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß weitere Erläuterungen ent- behrlich sind.

Anstelle des bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Logikventils (Sitzventil) kann selbstverständlich auch ein Schieberventil verwendet werden.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Achse des Logikventils koaxial zur Achse des Verbrennungszylinders ausgeführt. Selbstverständlich sind auch andere Relativpositionen realisierbar, bei denen die hydraulische Verbindung zum Hydraulikzylinder 6 gewährleistet ist.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbei spiel eines Frei kolbenmotors dargestellt, bei dem der Hydraulik- oder Arbeitskolben 26 über ein Wegeventil 70 direkt mit dem Hochdruck im Hochdruckspeicher 34 be- aufschlagbar ist. Der Grundaufbau des in Figur 8 dargestellten Freikolbenmotors entspricht dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel , so daß im folgenden nur die neu hinzukommenden Komponenten beschrieben werden. Gemäß Figur 8 kann das Rückschlagventil 32 über eine Bypassleitung 72 umgangen werden, in die das Wegeventil 70 geschaltet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wegeventil mit drei Schaltpositionen ausgeführt, wobei in der Schaltposition a die Bypassleitung 72 geöffnet ist und eine Verbindung zum Tank abgesperrt ist. In der Grundposition 0 ist sowohl die Verbindung zum Tank als auch die Bypassleitung 72 abgesperrt. In der mit b gekennzeichneten Schaltposition kann der Bereich des Hoch- druckkanals 30 stromaufwärts des Rückschlagventils 32 mit dem Tank verbunden werden, so daß der Druck in der Axialbohrung 28 zum Tank hin abbaubar ist.

Zur Einleitung des Kompressionshubs wird wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen das Umschaltventil 52 in die Arbeitsposition gebracht, so daß die linke Stirnfläche des Steuerkolbens 44 mit dem Druck im Hochdruckspeicher 34 beaufschlagt ist. Das Wegeventil 70 wird in die a dargestellte Schaltposition gebracht, in der Rückschlagventil 32 umgangen wird, so daß der Druck im Hydrospeicher 34 auch in der Axial bohrung 28 und somit an der Rückseite des Steuerkolbens 44 wirkt. Aufgrund des hydraulischen Kräftegleichgewichts wird der Steuerkolben 44 dann durch die Kraft der Steuerfeder 46 in seine Schließposition vorgespannt.

Durch den Druck in der Axial bohrung 28 wird der Hydraul i kkolben 26 beschleunigt und somit der Kompressionshub des Motorkolbens 10 eingeleitet. Nachdem der Hydraul i kkolben 26 und/oder der Motorkolben 10 eine vorbestimmte Maximalgeschwindigkeit, beispielsweise 5 /s erreicht hat, wird das Wegeventil 70 in seine mit 0 gekennzeichnete Sperrposition gebracht, so daß die Bypassleitung 72 abgesperrt und die Druckmittel zufuhr aus dem Hochdruckspeicher 34 in die Axial bohrung 28 verhindert wird. Daraufhin hebt der Steuerkolben 44 von seinem Ventilsitz 48 ab, so daß die weitere Bewegung des Motorkolbens 10 durch die Axial bewegung des Steuerkolbens 44 bestimmt ist. Durch das Zwischenschalten des Wegeventils 70 läßt sich somit vor Wirksamwerden des Steuerkolbens 44 eine variable Anfangsgeschwindigkeit des Motorkolbens 10 einstellen. Diese variable Anfangsgeschwindigkeit kann in Abhängigkeit von den Betriebsbe- dingungen und vom Öffnungshub und von der Öffnungszeit durch An- steuerung des Wegeventils 70 angepaßt werden.

Bei langen Öffnungszeiten der Bypassleitung 72 kann man beispielsweise mit vergleichsweise geringen Axial bewegungen des Steuer- kolbens 44 auskommen, so daß eine kompaktere Bauweise möglich ist. Hierzu muß allerdings das Wegeventil 70 mit einer entsprechend großen Nennweite ausgeführt werden. Gibt man sich mit relativ geringen Anfangsgeschwindigkeiten des Motorkolbens 10 zufrieden, so kann das Wegeventil 70 sehr klein ausgeführt werden, so daß aufgrund der ge- ringen Druckmittel ströme ein schnelles Schalten und geringe Verluste im Bereich des Wegeventils 70 auftreten. In der Schaltstellung b ist die Axialbohrung 28 druckentlastet, so daß der Hydraul i kkolben 26 bzw. der Motorkolben 10 bei einer Fehlzündung nach dem Umschalten weiter zum inneren Totpunkt (IT) bewegt werden kann.

In Figur 9 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das hinsichtlich des Grundaufbaus dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Das heißt, auch bei der in Figur 9 dargestellten Variante wird der Hochdruckkanal 30 durch eine rückwärtige Steu- erkante 72 des Steuerkolbens 44 auf- bzw. zugesteuert.

Der wesentliche Unterschied bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass der Steuerkolben 44 als Stufenkolben ausgebildet ist, wobei ein radial erweiterter Ringbund 74 in einem entsprechend erweiterten Abschnitt 76 des den Steuerkolben 44 aufnehmenden Steuerraumes 78 gebildet ist.

Der Hochdruckkanal 30 mündet in der Schließposition des Steuerkolbens 44 in dem von der größeren Stirnfläche des Steuerkolbens 44 begrenzten Raum 78, während ein weiterer Druckkanal 80 im von der Ringstirnfläche des Stufenkolbens 44 begrenzten Ringraum 82 mündet. Dieser Druckkanal 80 ist mit dem Hochdruckspeicher 84 verbunden, wobei ein Rückschlagventil 84 eine Strömung vom Hochdruckspeicher 34 in den Ringraum 82 ähnlich wie das im Hochdruckkanal 30 angeordnete Rückschlagventil 32 verhindert.

Bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das

Rückschlagventil 32 über eine Bypassleitung 72 umgangen werden, in die ein Dosierventil 86 geschaltet ist, dessen Funktion im Prinzip dem Wegeventil 70 aus dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ent- spricht.

Der die Verbindung zum Niederdruckspeicher 36 herstellende Niederdruckkanal 38 mündet ebenfalls in dem Ringraum 32, so dass der Steuerkolben 44 durch den Druck im Niederdruckspeicher 36 in Öff- nungsrichtung beaufschlagt ist. Die Kraft der Steuerfeder 46 muß demnach derart ausgelegt werden, dass sie den Steuerkolben 44 in der Grundposition gegen den Druck im Niederdruckspeicher 36 gegen den Ventilsitz 48 drückt.

Zum Einleiten des Kompressionshubes wird das Umschaltventil 52 in die Arbeitsposition gebracht, so dass der Steuerkolben 44 vom Ventilsitz 48 abhebt und der Hydraul i kkolben 26 sowie der Motorkolben 10 beschleunigt werden. Während der Bewegung des Steuerkolbens 44 wird von Anfang an Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 über den Niederdruckkanal 38 angesaugt, so dass die Öffnungsbewegung durch den Druck im Niederdruckspeicher 36 unterstützt ist.

Falls dies zur Kompensation von Reibungsverlusten, Temperaturänderungen etc. erforderlich ist, kann - ähnlich wie beim vorbe- schriebenen Ausführungsbeispiel - über das Dosierventil 36 der Hydraul i kkol ben 26 direkt mit dem Druck im Hydrospeicher 34 beaufschlagt werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschlag 60 in einem derartigen Axialabstand zum Steuerkolben 44 ausgebildet, daß dieser keine Wirkung entfaltet. D.h., beim Betrieb des Freikol- benmotors 1 wird der Steuerkolben 44 in seiner in Öffnungsrichtung gesehenen Endlage durch ein Kräftegleichgewicht und nicht durch ein Auflaufen auf einen Anschlag abgestoppt. Diese Endlage des Steuerkolbens 44 wird dann erreicht, wenn der Motorkolben 10 seinen äuße- ren Totpunkt AT erreicht.

Aufgrund des sich einstellenden Kräftegleichgewichtes kommen sowohl der Motorkolben 10 als auch der Steuerkolben 34 am äußeren Totpunkt AT zum Stillstand und es erfolgt durch Einspritzen des Kraftstoffes über das Einspritzventil 24 das Zünden des Gemisches- der Motorkolben 10 und der Steuerkolben 44 bewegen sich zurück in ihre Grundposition. Durch die Rückbewegung des Steuerkolbens 44 wird das im Ringraum 82 befindliche Druckmittel über den Druckkanal 80 und das Rückschlagventil 84 in den Hochdruckspeicher 34 gefördert und dieser somit aufgeladen. Nach einer vorbestimmten Axialverschiebung des Steuerkolbens 44 wird über die Steuerkante 62 des Steuerkolbens 44 der Hochdruckkanal 30 aufgesteuert, so dass kurz vor dem Auflaufen des Steuerkolbens 44 auf den Ventilsitz 48 die kinetische Energie des Motorkolbens 10 zum Laden des Hydrospei- chers 34 über den Hochdruckkanal 30 und das Rückschlagventil 32 ausgenutzt wird. Nach dem Auflaufen des Steuerventils 44 auf den Steuersitz 48 wird das Umschaltventil 52 umgeschaltet, so dass die kleinere Stirnfläche des Steuerkolbens 44 zum Tank bzw. Niederdruck hin entlastet ist - der Zyklus kann von neuem beginnen.

Figur 10 zeigt eine Variante der in Figur 9 dargestellten Ausführungsform, bei der der Arbeits- oder Hydraul i kkolben 26 als Differentialkolben ausgeführt ist, wobei der radial zurückgesetzte Teil zum Motorkolben 10 hin orientiert ist. Der radial zurückgesetzte Teil des Hydraul i kkolbens 26 bildet mit der Axial bohrung 28 einen weiteren Ringraum 88, der über eine Niederdruckleitung 90 und ein Rückschlagventil 92 mit dem Niederdruckspeicher 36 sowie über einen Verbindungskanal 94 und ein Rückschlagventil 96 mit dem von der größeren Stirnfläche des Steuerkolbens 44 begrenzten Raum 78 verbunden ist. Während des Kompressionshubes wird das sich im weiteren Ringraum 88 befindliche Druckmittel über den Verbindungskanal 94 und das Rückschlagventil 96 zum Raum 78 hin verdrängt. Bei der Rückbewegung des Motorkolbens 10 zum inneren Totpunkt IT hin wird über die Niederdruckleitung 90 und das Rückschlagventil 92 Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 in den Ringraum 88 angesaugt. Das heißt, beim Kompressionshub kann Druckmittel in den steuerkolbenseitigen Raum 78 einströmen, während beim Expansionshub Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 36 in den Ringraum 88 einströmen kann. Der besondere Vorteil gegenüber der vorbeschriebenen Lösung besteht somit darin, dass das Druckmittel während des Kompressionshubes aus dem Nieder- druckspeicher 36 über den Niederdruckkanal 38 sowie das Rückschlagventil 40 in den Ringraum 82 und während des Expansionshubes über die Niederdruckleitung 90, das Rückschlagventil 92 in den weiteren Ringraum 88 einströmen kann. Die Druckmittel säule muß somit im Totpunkt des Motorkolbens 10 nicht abgestoppt werden sondern kann prak- tisch zirkulieren, so dass der Wirkungsgrad des Frei kolbenmotors 1 gegenüber der in Figur 9 dargestellten Lösung verbessert ist.

In Figur 11 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das hinsichtlich des Grundaufbaus dem in Figur 7 darge- stellten Ausführungsbeispiel entspricht. Bei der in Figur 11 dargestellten Variante ist neben dem Hochdruckspeicher 34 und dem Niederdruckspeicher 36 ein weiterer Mitteldruckspeicher 98 vorgesehen, der an den Druckkanal 50 angeschlossen ist, so dass die in Figur 11 linke Stirnfläche des Steuerkolbens 44 durch den Druck im Mittel- druckspeicher 98 beaufschlagt ist, wenn das Halteventil 52 in seine Arbeitsposition gebracht wird. Der Mi teldruckspeicher 98 ist über eine Leitung 100 mit einem Steuerventil 102 mit dem stromabwärts der Rückschlagventils 32 gelegenen Teils des Hochdruckkanals 30 verbunden. In entsprechender Weise ist der Mitteldruckspeicher 98 mittels einer weiteren Leitung 104 und einem weiteren Steuerventil 106 mit dem Niederdruckspeicher 36 verbunden.

Bei der in Figur 11 dargestellten Lösung ist der Hochdruckspeicher 34 über das Rückschlagventil 32 an den Hochdruckkanal 30 angeschlossen. Dieser wird bei der Rückbewegung des Steuerkolbens 44 von seiner Anschlagposition über die Steuerkante 62 aufgesteuert. Das Druckniveau des Mittel druckspei chers 98 liegt zwischen demjenigen des Hochdruckspeichers 34 und des Niederdruckspeichers 36. In der Grundposition sind die beiden Steuerventile 102 und 106 ge- schlössen, so dass beim Umschalten des Umschaltventils 52 in seine Arbeitsposition die Stirnfläche des Steuerkolbens 44 mit dem Druck im Mitteldruckspeicher 98 beaufschlagt ist. Das heißt, die Beschleunigung des Motorkolbens 10 ist im wesentlichen vom Druck im Mitteldruckspeicher 98 abhängig. Dieser Druck kann durch geeignete An- Steuerung der Steuerventile 102, 106 auf einem konstanten Niveau gehalten werden.

Beim Absinken des Druckes im Mi tteldruckspeicher 98 unter ein vorbestimmtes Niveau wird das Steuerventil 102 aufgesteuert, so dass der Mitteldruckspeicher 98 über den Hochdruckspeicher 34 aufgeladen wird. Bei Überschreiten des vorbestimmten Druckniveaus wird das andere Steuerventil 106 aufgesteuert, so dass Druck zum Niederdruckspeicher 36 hin abgebaut werden kann.

Während des Expansionshubes wird nach dem Aufsteuern des Hochdruckkanals 30 der Hochdruckspeicher 34 aufgeladen. Durch diese Lösung ist die Druckversorgung des Frei kolbenmotors im wesentlichen unabhängig von äußeren Einflüssen und von Druckschwankungen im Hochdruckspeicher 34, die beispielsweise beim Ansteuern von weiteren Verbrauchern auftreten können, die an diesen Hochdruckspeicher 34 angeschlossen sind.

Die vorbeschriebenen Varianten mit dem Wegeventil 70 zur direkten Druckbeaufschlagung des Hydraul i kkolbens 26 dem Mitteldruckspeicher 98, dem als Stufenkolben ausgeführten Steuerkolben 44 und dem als Differential kolben ausgeführten Hydrauli kkolben 20 lassen sich praktisch in beliebiger Weise miteinander kombinieren, so dass die Erfindung keinesfalls auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Offenbart ist ein Frei kolbenmotor, dessen Motorkolben in Kompressionsrichtung über einen Hydraulikzylinder mit einer Kraft beaufschlagbar ist. Dieser kann über ein Umschaltventil mit dem Druck in einer Hochdruckspeichereinrichtung oder in einem Niederdruckspeicher verbunden werden. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Umschaltventil eine Ventil anordnung mit einem Steuerkolben vorgesehen, durch dessen Steuerkante eine Verbindung zur Hochdruckspeichereinrichtung aufsteuerbar ist.

Claims

Aπsprüche

1. Frei kolbenmotor mit einem Motorkolben (10) und mit einem mit diesem zusammenwirkenden Hydrauli kkolben (26), der über ein Um- schaltventil (52) mit dem Druck in einer Hochdruckspeichereinrichtung (34) oder in einem Niederdruckspeicher (36) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hydraulikkolben (26) und dem Umschaltventil (52) eine Ventil anordnung (44, 46, 48) mit einem Steuerkolben (44) angeordnet ist, wobei über eine Steuerkante (58) des Steuerkolbens (44) eine Verbindung zur Hochdruckspeichereinrichtung (34) aufsteuerbar ist und der Steuerkolben (44) in Schließrichtung vom Druck im Hydrauli zylinder (6) und der Kraft einer Steuerfeder (46) und in Öffnungsrichtung vom Ausgangsdruck des Umschaltventils (52) oder vom Druck in der Hochdruckspeichereinrichtung (34) beaufschlagt ist.

2. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 1, wobei die Kolbenfläche des Steuerkolbens (44) größer als die hydraulisch wirksame Querschnittsfläche des Hydraul i kkolbens (26) ist.

3. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Hub des Steuerkolbens in Öffnungsrichtung vor dem Hubende des Hydraul i kkolbens (26) durch einen Anschlag (60) begrenzt ist.

4. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, wobei der Anschlag (60) einstellbar ist.

5. Frei kolbenmotor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Hydraulikzylinder (6) über einen Hochdruckkanal (30) mit der Hochdruckspeichereinrichtung (34) und über einen Niederdruckkanal (38) mit dem Niederdruckspeicher (36) verbindbar ist, wobei jeweils ein Rückschlagventil (32, 40) eine Rückströmung vom Hochdruckspeicher (34) bzw. in den Niederdruckspeicher (36) verhindert.

6. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 5, wobei das im Hochdruckkanal (30) angeordnete Rückschlagventil (32) über eine Bypassleitung (72) umgehbar ist, die mittels eines Wegeventils (70, 86) umgehbar oder absperrbar ist.

7. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 6, wobei das Wegeventil (70) eine Schaltposition (b) hat, in der die Bypassleitung (72) mit dem Tank verbindbar ist.

8. Frei kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, wobei der Hochdruckkanal (30) über eine zweite Steuerkante (62) des Steuerkolbens (44) aufsteuerbar ist.

9. Frei kolbenmotor nach einem der Patentansprüche 5 bis 8, wobei der Steuerkolben (44) ein Stufenkolben ist und der durch eine Ringstirnfläche des Steuerkolbens (44) begrenzte Ringraum (82) sowohl mit dem Niederdruckspeicher (36) als auch mit der Hochdruckspeichereinrichtung (34) verbindbar ist.

10. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 9, wobei der Druckkanal (30) in einem durch die größere Stirnfläche des Steuerkolbens (44) begrenzten Raum (78) mündet.

11. Frei kolbenmotor nach einem der vorhergehenden Patentan- sprüche, wobei die Hochdruckspeichereinrichtung (34, 98) einen Mitteldruckspeicher (98) und einen Hochdruckspeicher (34) hat, die über eine Leitung (100) und ein Steuerventil (102) miteinander verbindbar sind, wobei die in Öffnungsrichtung wirksame Stirnfläche des Steuerkolbens (44) mit dem Druck im Mitteldruckspeicher (34) beaufschlag- bar ist.

12. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 11, wobei der Mitteldruckspeicher (94) über eine weitere Verbindungsleitung (104) und ein weiteres Steuerventil (106) mit dem Niederdruckspeicher (36) verbindbar ist.

13. Frei kolbenmotor nach Patentanspruch 5 und 11 oder 12, wobei der Hochdruckkanal (30) mit dem Hochdruckspeicher (34) verbunden ist.

14. Frei kolbenmotor nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ubersetzungsventi lanordnung (44, 46, 48) koaxial zur Motorkolbenachse angeordnet ist.

15. Frei kolbenmotor nach einem der vorhergehenden Patentan- sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übersetzungsventilanordnung

(44, 46, 48) als Logikventil oder als Schieberventil ausgeführt ist.