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Dokumentenidentifikation DE102005006340A1 19.04.2007
Titel Freikolben-Energieerzeuger
Anmelder Dolezal, Horst, Dipl.-Ing. (FH), 82110 Germering, DE
Erfinder Dolezal, Horst, Dipl.-Ing. (FH), 82110 Germering, DE
DE-Anmeldedatum 11.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005006340
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F02B 71/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02F 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Der Freikolben-Energieerzeuger arbeitet mit 2 gegenläufigen Arbeitskolben (1) rechts und (1) links, die zugleich als Kurzschlussläufer bzw. als bewegte Magneten (10) und in einem Lineargenerator (11) Strom erzeugen bzw. als Linearmotor den Freikolbenmotor starten.
Die durch die Expansionsenergie nach außen beschleunigten Kolben werden durch die Luftpuffer (7) aufgefangen; zugleich saugen sie über die Lamellenventile (8) Frischluft an.
Die beiden Kolben erreichen nun den äußeren Totpunkt, und die Brennraumkolben geben die Ein- und Auslassbohrungen (4 und 5) frei. Das Arbeitsgas gelangt nun unter hohen Druck und Temperatur (6 bis 8 bar und ca. 300 Grad C) zu den Verbrauchern.
Der Zylinder wird mit der vom vorherigen Takt zwischengespeicherten Luft (im Spülluft-Speicher) (26) mit ca. 7 bis 9 bar gespült.
Da die beiden Brennraumkolben nun fast drucklos sind, werden sie vom Druck in den beiden Gaspuffern (7) wieder nach innen beschleunigt; zugleich öffnen die Ventile (9) und die verdichtete Frischluft wird im Raum (26) zwischengespeichert.
Der Treibstoff wird nach Verschließen der Ein- und Auslassbohrungen von der elektronischen Einspritzanlage unter hohem Druck (ca. 60 bar) durch die Bohrung im Kolben in den Zylinder (3) eingeblasen, mit dem Frischluft/Wasserdampf-Gemisch vermischt und nach Erreichen der Zündtemperatur gezündet (Selbstzündung).
Eine weitere Möglichkeit wäre die Einspritzung des Treibstoffes in der Zylindermitte, wenn die beiden Kolben den ...

Beschreibung[de]

Gegenkolbenmotoren wurden schon in den 1930er Jahren sehr erfolgreich als Flugmotoren eingesetzt (Junkers-Jumo-Motoren). Sie waren und sind bis heute die leistungsfähigsten Dieselmotoren, sowohl im Verbrauch als auch in der Hubraum-Leistung (z.B. Junkers-Motor, Baujahr 1943: 88 kW pro Liter Hubraum; PKW-Motor, Baujahr 2003: 60 kW/l Hubraum).

Heute wird an diesem Prinzip wieder in vielen Ländern geforscht, da das Gegenkolbenprinzip das einzige Zweitaktverfahren ist, das die modernen Viertakt-Motoren in Wirkungsgrad und Einfachheit weit übertrifft. (z.B. Golle-Motoren AG an der Uni Dresden, und viele Forschungsinstitute in den USA, wie z.B. C. Galileo Research Inc., die University of West Virginia, E. Mechanical Technology inc. u.s.w.).

Auch wurden einige Patente auf diesem Gebiet angemeldet, wie das Patent Nr. 19613080, DE AS 10 48 739 und DE 39 13 806 A1.

NACHTEILE DES STANDES DER TECHNIK

Da diese neuen Entwicklungen fast ausnahmslos die lineare Bewegung der Kolben in drehende Bewegungen umwandeln, geht ein wesentlicher Vorteil der Freikolbentechnik verloren, da dann der Verschleiß der Kolben, Zylinder und Lagerungen ähnlich groß ist wie beim Zwei- und Viertaktmotor.

Die in den Patentschriften erwähnte Stromerzeugung mit Permanentmagneten wurde bisher in einigen Versuchsmustern realisiert, um die Funktionsfähigkeit nachzuweisen.

Alle übrigen bisher realisierten Freikolbenmotoren zeigen nur geringfügige Vorteile gegenüber vorhandenen Verbrennungskraftmaschinen auf, so dass ein großer Einstieg in diese Technologie aus wirtschaftlichen Gründen noch nicht erfolgte.

AUFGABE DER ERFINDUNG a.) Fahrzeugantriebe

Die so erzeugte Energie in Form von Strom und Druckluft kann auch in bodengebundenen Systemen verwendet werden, wie zum Beispiel in Fahrzeugantrieben, bei denen Druckluftmotoren direkt an den Rädern montiert sind.

Ein doppelter Unterboden könnte dabei als Drucktuftspeicher dienen, so dass der Motor nur arbeitet, wenn der Druck unter einen bestimmten Wert sinkt (z. B. < 5 bar). Dadurch ergeben sich Treibstoffeinsparungen, speziell in Stauphasen und im Stadtbetrieb.

Außerdem könnte mit Platz- und Gewichtseinsparungen gerechnet werden, da herkömmliche Antriebsteile, wie Getriebe, Differential, Kardanwelle, etc. entfallen können. Die Antriebsmotoren an den Rädern wären weitgehendst wartungsfrei, da die Lamellen aus selbstschmierendem Kohlenstoff, bzw. die Laufflächen aus Keramik bestehen.

Im stationären Betrieb könnte die erzeugte Energie für alle bisher verwendeten elektrischen und pneumatischen Maschinen verwendet werden.

a.)Dezentrale Kleinkraftwerke

Bei dieser Verwendung erzeugt der neue Motor hauptsächlich Strom, der auch bei Überschuss in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Die anfallende Abwärme wird durch Wärmetauscher zur Heizung und Warmwassererzeugung verwendet.

b.) Tragbarer Kleingenerator als Ersatz für Batterien

Da der neue Motor in beliebiger Größe hergestellt werden kann, könnte er auch die Stromversorgung der verschiedenen tragbaren elektrischen Verbraucher, wie Laptops, Mobilfunkgeräte, Kameras etc. übernehmen.

Speziell im militärischen Bereich besteht dafür ein dringender Bedarf, da die Ausrüstung eines modernen Soldaten aus einer Vielzahl von elektronischen Geräten besteht (Funkgeräte, Laptops, GPS-Navigation, Nachtsicht- und Infrarotgerät, Laser-Entfernungsmesser, Zielbeleuchter, Freund-Feindkennung, etc.), die eine durch die Batterie gegebene relativ kurze Einsatzdauer von wenigen Stunden haben.

Das gleiche gilt für den elektrischen Antrieb von Mini-Drohnen für Aufklärungsmissionen im Nahbereich, die zur zeit eine Flugdauer im Minutenbereich aufweisen.

Für den, Innenraum-Betrieb würde der Motor mit Propangas. (z.B. Nachfüllpatronen für Gasfeuerzeuge) betrieben werden, da als Abgas nur Wasserdampf und CO2 entsteht.

c.) Entwicklung eines neuen Hubschraubers mit Reaktionsantrieb und Koanda-Auftriebssteuerung

Für diesen Hubschrauber wird die erzeugte Druckluft für den Blattspitzen-Antrieb eines Hubschraubers verwendet. Dadurch entfällt das schwere und anfällige Rotorgetriebe und auch der Drehmomentausgleich durch den Heckrotor.

Die Druckluft dient auch zur Lärmreduzierung durch zyklisches Ausblasen in Koanda-Schlitzen in den Rotarblättärn; außerdem verhindert die heiße Druckluft in den Rotorblättern deren Vereisung.

Des Weiteren liefern die Lineargeneratoren den Strom für die Bordstromversorgung.

e.) Erzeugung von Druckluft und Strom für Passagierflugzeuge als Ersatz für die Auxilary Power Unit (APU).

Der Nachteil der bisher verwendeten APUs ist der hohe Treibstoffverbrauch (3 bis 4-fach gegenüber Kolbenmotoren), die große Lärmerzeugung am Flughafen in den Warteschlangen und die umfangreichen Sicherheitsvorkehrungen im Flugzeug gegen Feuer und Bersten der Turbinenschaufeln.

Während des Fluges wird die Kabinendruckluft und der Strom vom Marschtriebwerk erzeugt, wodurch der Wirkungsgrad dieses TW sinkt und der Treibstoffverbrauch zunimmt (s. Bericht im Anh.).

Diese oben beschriebenen Nachteile könnten vermieden werden, indem man den ganzen Flug hindurch einen Freikolbenmotor zur Erzeugung der Druckluft und der Elektrizität mitlaufen lassen würde.

LÖSUNG DER AUFGABE

Die oben genannten Aufgaben werden durch den freilaufenden Gegenkolbenmotor durch Erzeugen von Strom und Druckluft gelöst.

Die Luftmenge, der Druck und die elektrische Energie kann durch die Wahl der Große der Pufferkolben, des Ansaugvolumens, die Auswahl der Ventile und die Dimensionierung der Lineargeneratoren bestimmt werden.

VORTEILE DER ERFINDUNG

  • • Der Motor besteht nur aus zwei sich bewegenden Teilen; dadurch geringer Verschleiß, große Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer.
  • • Sehr guter Wirkungsgrad durch hohe Vorverdichtung und drehende Gleichstromspülung der Zylinder, sowie der Anwendung des
  • • HCCl-Verfahrens (Homogeneous Charge Compression Ignition, (Details s. unter "Funktionsbeschreibung").
  • • Durch die Verwendung einer Treibstoff-Wasseremulsion (bis zu 75 % Wasser bei gleicher Leistungsabgabe!) ist eine große Einsparung der Treibstoffkosten zu erwarten.
  • • Hohe Laufruhe durch 100% Massenausgleich.
  • • Niedriges Leistungsgewicht und kleine Abmessungen.
  • • Keine Schmierung notwendig durch Keramikzylinder und Kohlenstoffkolben, sowie Reibungsverminderung durch Luftpolster zwischen Kolben und Zylinder.
  • • Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen (gasförmig und flüssig) möglich,
  • • Bei Verwendung in Hubschraubern große Gewichteinsparung durch Wegfall des Heckrotors und des Getriebes.
  • • Lärmminderung und Auftriebserhöhung durch zyklisches Ausblasen an den Rotorblättern durch die Koanda-Schlitze.

BESCHREIBUNG A.) Variante mit Emulsionsbetrieb (s.Fig. 1)

Bei dieser Betriebsart wird anstelle der Direkteinspritzung ein Gemisch aus Kraftstoff- und Wasserdampf (Emulsion) im Verhältnis 1:3 bis 1:4 zu Beginn der Verdichtung in den Zylinder geblasen (Prinzip des Öldampf-Motors, s. Bericht i: Anh.: Dr.-Ing. S. Förster: „Öldampf-Infektion beim Öldampf-Dieselmotor" v. 20. 09. 99).

Der Dampf wird bei kaltem Motor mit Hilfe eines Mikrowellen-Generators erzeugt, bei warmen Motor mit der Energie aus dem heißen Abgas.

Je nach verwendeten Treibstoff wird das Gemisch durch die ansteigende Kompressionstemperatur stufenweise selbst entzündet, oder durch katalytische Verbrennung durch den mit Platin beschichteten Keramikschaum auf dem Kolben, oder auch durch Fremdzündung mit Hilfe der Piezo-Zündelemente am inneren Totpunkt.

Durch die Verwendung von überhitztem Wasserdampf wird die Zündtemperatur des Gemisches drastisch gesenkt. In bereits durchgeführten Versuchen wurden Zündtemperaturen von 250 bis 300 Grad gemessen; dies ist um ca. 300 Grad weniger als beim Einspritzen von z. B. flüssigen Dieseltreibstoff.

Durch diese optimale, rußfreie Verbrennung bei niedrigen Temperaturen könnte der Ausstoß von Kohlenmonoxid und Stickoxid deutlich gesenkt werden.

Details siehe Konstruktionszeichnung, Beschreibung und Funktionsdiagramme im Anh.

Falls bei der oben beschriebenen Betriebsart unlösbare Probleme auftreten sollten, kann der Motor wie ein herkömmlicher Dieselmotor durch

B.) Direkteinspritzung des Treibstoffes in den Brennraum (wie bei herkömmlichen Einspritzmotoren) betrieben werden. FUNKTIONSABLAUF (s. Fig. 1)

Durch die nach der Zündung durch die Explosionsenergie nach außen beschleunigten Pufferkolben (2) wird Frischluft durch die Einlass-Flatterventile (8) angesaugt und zugleich ein Teil der kinetischen Kolbenergie in Strom in den Lineargeneratoren (11) umgewandelt.

Die beiden Kolben erreichen nun den äußeren Totpunkt; sie geben dadurch die Ein und Auslassbohrungen (4 u. 5) im Zylinder (3) frei, die beiden Brennraumkolben werden drucklos und der Zylinder wird mit der vom Kompressionstakt zwischengespeicherten Druckluft in (26) mit ca. 6 bis 10 bar gespült.

Zugleich wird ultrahocherhitzter Wasserdampf (ca. 250 bis 300 Grad, 10 bar) durch die Einlassbohrungen in den Zylinder geblasen.

Durch die schräg stehenden Einlassbohrungen erhält das einströmende Frischluft Wasserdampfgemisch eine Rotation, die sich sehr vorteilhaft auf die Gleichstromspülung des Zylinders auswirkt.

Nachdem die Ein- und Auslassbohrungen von den beiden Kolben verschlossen wurden, beginnt das Einblasen des Treibstoff-Dampfes und das Vermischen mit dem Frischluft-/Wasserdampfgemisch.

Durch die ansteigende Kompressionswärme werden nun die einzelnen Flammpunkte der Treibstoffbestandteile erreicht und eine stufenweise, relativ langsame Verbrennung beginnt, wie sie für das HCCl-Verfahren erforderlich ist.

Der Verbrennungsdruck beim inneren Totpunkt erreicht nun sein Maximum (ca. 80 bis 100 bar); die beiden Kolben werden wieder zum äußeren Totpunkt beschleunigt und geben die Ein- und Auslassbohrungen frei. Über die Auslassbohrungen gelangt nun das Arbeitsgas (23) mit einem Druck von ca. 6 bis 10 bar und einer Temperatur von ca. 300 Grad C (je nach Dimensionierung des Motors) zu den Verbrauchern.

Die beiden Gaspuffer (7) beschleunigen nun die Kolben mit einem Druck von ca. 60 bis 80 bar wieder zum inneren Totpunkt; die angesaugte Frischluft wird verdichtet, durch die sich öffnenden Ventile (9) in die Zylinder-Spülkammer (26) gedrückt und dort bis zum nächsten Zyklus zwischengespeichert. Ein Teil dieser Druckluft könnte nun von hier für andere Verwendungszwecke abgezapft werden (z.B. bei Flugzeugen für die Kabinendruck-Erzeugung).

Die beiden Kolben erreichen nun den inneren Totpunkt (i-TP) und schlagen auf die Piezo-Zundelemente (12) auf, wodurch der Treibstoff über die Funkenstrecke Kolben links – Kolben rechts gezündet werden kann, falls Fremdzündung erforderlich sein sollte (z.B. bei Betrieb mit hochoktanigem Treibstoffen, wie Propangas, Methanol etc.).

Die beiden Kolben (1) werden nun durch den Explosionsdruck nach außen beschleunigt und die Arbeitskolben (2) saugen nun über die Einlassventile (8) Frischluft an und ein neuer Zyklus beginnt.

Zugleich gelangt ein kleiner Teil der Verbrennungsgase unter hohen Druck über die Leitung (a) und über ein Rückschlagventil in den Druckluftvorratstank (18) (= Starttank) und füllt ihn wieder auf (mit 60 bis 80 bar).

Die beiden Kolben sind frei beweglich im Zylinder. Die Wandreibung wird durch eine spiralförmige Nut im Kolben. (ähnlich einem Schraubengewinde) verringert, da sich dadurch ein Gaspolster zwischen Kolben und Zylinder bildet und keine unmittelbare Berührungen stattfinden. Das gleiche gilt für die Gaspuffer-Kolben.

SYNCHRONISATION DER KOLBEN

Die beiden Kolben können durch drei hier beschriebenen Verfahren synchronisiert werden (von mehreren anderen Möglichkeiten):

  • 1. durch Phasenvergleich der Spannung der beiden Lineargeneratoren, in dem man sie parallel zu einer Last schaltet (s. 4)

Beispiel:

Wenn nun ein Kolben schneller sein sollte als der andere, muss er mehr el. Energie abgeben und wird dadurch gebremst, bis er wieder in Phase mit dem zweiten Kolben ist.

  • 2. Rein mechanisch durch Vergleich des Druckes in den beiden Gaspufferkammern und gegebenenfalls Druckausgleich durch einen Steuerkolben (s. 1)

Funktionsweise:

Durch den höheren Druck des einen Gaspuffers wird der Steuerkolben (15) verschoben, eine Abblasöffnung freigegeben und dadurch den Druck reduziert, bis wieder der Gleichdruck (= gleiche Stellung der Kolben im Zylinder) herstellt ist.

  • 2b. Hydraulischer Druckvergleich: statt Luft wird eine Flüssigkeit zur Steuerung verwendet (Treibstoff, Hydrauliköl, etc.). Vorteil: kein Schwingungsverhalten, wesentlich kürzere Reaktionszeiten, kleineres Bauvolumen).
  • 3. Zusätzliche Kontrolle des Steuerkolbens durch eine Linearmotor-Wicklung (14). Dadurch wird auch eine eventuell auftretende Schwingung im Gasdruck-Regelkreis verhindert (s. 1) Gesteuert wird der Linearmotor von der Phasenlage der beiden Lineargenerator Spannungen, die zu einem Vergleicher (EXOR-Gatter, siehe Skizze) gehen und der bei Auftreten von Phasendifferenzen den Linearmotor ansteuert, der dann den Steuerkolben entsprechend verschiebt und dadurch den zu hohen Druckanteil abbläst.

STARTVORGANG

Der Start kann entweder durch Druckluft oder auch elektrisch erfolgen.

1.) Druckluftstart und Betriebsbeginn

  • (siehe Konstruktionszeichnung „START-, STOPP"-Vorgang), 2, 3

Es werden 2 Varianten zum Starten des Motors mit Druckluft vorgeschlagen:

  • a.) Start mit einem DREHVENTIL, 2
  • b.) Start mit einem DRUCKVENTIL (Linearventil), 3

Zu a.): DREHVENTIL, Fig. 2 1.) Motor „AUS" (STOPP):

Annahme: der Motor läuft und soll gestoppt werden.

Das Drehventil wird nun über eine Raster-Stellung in die AUS-Position gebracht.

Die Drucktuft von den Luftfedern (Leitung b, c) entweicht über den Ausgang „AUS" ins Freie. Die Kolben bewegen sich durch den noch vorhandenen Verbrennungsdruck im Zylinder zum äußeren Totpunkt.

Dia Treibstoff- und Wasserzufuhr wird geschlossen und die Einspritzanlage erhält mehrere Einspritzimpulse, um die Leitungen flüssigkeitsfrei zu machen (Frostschutz).

Start „VORBEREITEN":

Annahme: der Motor steht schon längere Zeit, der Zylinder ist drucklos.

Das Drehventil wird in die Stellung „VORBEREITEN" gedreht. Die Die Druckluft vom Starttank (19) gelangt über den Anschluss 2 zum Anschluss 4 und von dort in den Zylinder.

Falls die Kolben zusammen waren, werden sie nun auseinandergepresst. Bei kaltem Motor beginnt nun die Verdampfung des Treibstoffes mit Hilfe der Mikrowelle.

Wenn der dampfförmige Zustand des Treibstoffes erreicht wurde (gemeldet durch Druck- und Temperatur-Sensoren), beginnt die Startphase.

„START":

Das Drehventil wird freigegeben und weiter in die Pos. „START" gedreht.

Die Druckluft von Ausgang 1 gelangt zum Anschluss 3 u. 5 und von dort über die Leitungen „b", „c" in die Luftpuffer.

Die Kolben werden zusammengepresst und der Verdichtungsvorgang beginnt.

Sobald die Kolben die Ein- und Auslassbohrungen verschlossen haben, (= Signalumkehr in den Lineargeneratoren), geht ein Einspritzimpuls an die Einspritzanlage, der Treibstoff wird durch die Bohrung im linken Kolben in den Zylinder gesprüht und vermischt sich mit der Luft.

Durch die ansteigende Verdichtungstemperatur werden die Zündpunkte der Treibstoffbestandteile erreicht und der Verbrennungsvorgang beginnt wie unter B.) beschrieben.

Um den Startvorgang auch bei extremer Kälte sicherzustellen, kann je nach Außentemperatur durch die elektronische Einspritzanlage noch zusätzlicher Treibstoff zu verschiedenen Zeitpunkten eingesprüht werden.

„BETRIEB":

Der Motor arbeitet jetzt und das Drehventil wird nun weiter in die Stellung „BETRIEB" gebracht.

Ein kleiner Teil der Verbrennungsgase gelangt unter hohen Druck (> 60 bar) über den Anschluss „a" und „a1" in den Startlufttank und füllt ihn wieder auf. Die Mikrowellen- Heizung wird abgeschaltet, sobald die Wärmetauscher am Abgasrohr die Verdampfung des Wassers und des Treibstoffes übernommen haben.

Die weitere Betrieb wird von einem Mikroprozessor gesteuert, der die Einspritz-, Wasserdampf- und Luftmenge reguliert.

Die Messdaten werden über entsprechende Sensoren in den Zu- und Ableitungen des Motors geliefert.

Zu b.) Start mit DRUCKVENTIL (LINEARVENTIL), Fig. 3

Die Vorgänge laufen analog wie beim Drehventil ab. Siehe auch Beschreibung am entsprechenden Blatt.

Beide Vorgänge können sowohl manuell, als auch elektrisch ausgeführt werden (durch einen Servomotor, bzw. einen EI. Magneten).

HCCl-Verfahren (teilhomogenes Gemisch-Verfahren)

In der Anfangsphase des Verdichtungshubes wird eine geringe Menge des Treibstoffdampfes in den Zylinder geblasen und vermischt sich mit dem rotierenden Frischluft-Wasserdampfgemisch im Zylinder.

Durch die bei der nun folgenden weiteren Kompression entstehende Hitze werden nun die verschiedenen Zündpunkte der Treibstoffbestandteile erreicht und es beginnt eine intensive und zeitlich gestaffelte, langsame Verbrennung bei relativ niedrigen Temperaturen.

In dieses heiße Frischluft/Verbrennungsgasgemisch wird nun der restliche Treibstoffdampf eingeblasen und der Druck im Zylinder erreicht sein Maximum.

Der gesamte Verbrennungsvorgang wird durch einen Mikroprozessor überwacht, der mit den verschiedenen Sensoren den Verbrennungsvorgang übermacht.

Als Flammenhalter, bzw. als Zündinitiator dient dabei der mit Platin beschichtete Keramikschaum in der Verbrennungsmulde der Kolben.

Durch diesen Prozess könnte eine sehr saubere Verbrennung mit kaum noch nachweisbaren Schadstoffausstoß erreicht werden.

Durch die hohe Vorverdichtung und die Verwendung von ultrahocherhitztem Wasserdampf sind auch sehr große Wirkungsgrade zu erwarten, wie Untersuchungen von B. van BLARINGEN von den Sandia National Laboratories, Livermore, Calif. USA, im Jahr 2001 ergaben. Dok. Nr. NREL/CP-570-30535, Titel „Freikolben/Lineargeneratoren im OTTO-Prozess".

2.) Elektrostart

Bei dieser Ausführung des Motors sind die Druckluftkolben als Kurzschlussläufer aus Aluminium ausgebildet.

Durch Erzeugen eines elektrischen Wanderfeldes in den Linearmotor-Generator-Wicklungen werden in den Alu-Kolben große Ströme induziert, die beiden Kolben zum i-TP beschleunigt und es erfolgt die erste Zündung.

Voraussetzung für diesen Start ist das Vorhandensein einer Startbatterie bzw. von geladenen Superkondensatoren.

LINEARGENERATOR, Fig. 5, Fig. 6

Als Lineargenerator wird als 1. Variante eine Konstruktion vorgeschlagen, wie sie im vorhin erwähnten Bericht von den Sandia National Laboratories erprobt wurde.

Bei dieser Lösung wurden extrem starke Dauermagnete (aus seltenen Erde-Material) als Ringmagnete in die beiden Kolben vergossen (siehe auch Konstruktionszeichnung „Lineargenerator" i.A.).

ES wurden dabei Wirkungsgrade von über 95 % gemessen.

In der 2. Variante könnten die Druckluft-Kolben aus Aluminium bestehen und so wie ein Läufer eines Asynchronmotors wirken, indem durch das angelegte Wanderfeld in ihm sehr hohe Kurzschlussströme induziert werden.

Die Laufgeschwindigkeit des Wanderfeldes relativ zur Geschwindigkeit des Kolbens bestimmt, ob der Kolben als Motor (Startvorgang) oder Generator arbeitet.

Im Generatarbetrieb wird die kinetische Energie, die der Kolben durch den Explosionstakt erhalten hat, in elektische Energie in den Wicklungen des Lineargenerators umgewandelt und der Kolben gemäß der Lenz'schen Regel abgebremst.

Die Restenergie wird im Gaspuffer aufgenommen; durch die entsprechende Dimensionierung der Kolbenflächen und des Volumens ist sichergestellt, dass noch genügend Restenergie vorhanden ist, um die Verdichtungsarbeit im Zylinder und die Ausschubarbeit vom Ansaugraum (6) in den Spülluft-Zwischenspeicher (26) zu gewährleisten.

Falls die Versuche zeigen sollten, dass die gezeichnete Luftkühlung des Zylinders nicht ausreicht, wird eine Wasserkühlung vorgeschlagen, wie sie in der Skizze im Anhang gezeigt wird.

TEILELISTE FREIKOLBEN-MOTOR

1
Freikolben rechts/links
2
Pufferkolben rechts/links
3
Keramikzylinder
4
Einlassbohrungen für Frischluft
5
Auslassbohrungen für Verbrennungsgase
6
Ansaugraum für Frischluft
7
Gaspuffer
8
Einlass-Flatterventile für Frischluft (je 12 auf jeder Seite)
9
Spülkammer-Flatterventile (je 12 auf jeder Seite)
10
Kreisring-Magnete
11
Linear-Motor/Generatorwicklungen
12
Piezo-Zündelemente (je 2 auf jeder Seite)
13
Gaspuffer-Druckausgleichsrohr, zugleich Startrohr
14
Linearmotorwicklungen für Steuerkolben
15
Steuerkolben für Druckausgleich
16
Kolbenstange und Treibstoff-Druckleitung
17
Kolbenstange und Einspritzleitung für Wasser/Methanol
18
Überdruckventil > 60 bar.
19
Druckluft-Starttank
20
Startmodul
21
Startknopf
22
Elektromagnet für el. Start
23
Arbeitsgas-Auslass
24
Treibstoff-Druckleitung
25
Treibstoff-Einspritzdüsen
26
Spülluft-Zwischenspeicher
27
Kühlwasser
28
Sensorspulen
29
Arbeitsgas-Druckleitung (max. 10 bar, 300 grad C).

Teileliste für die Detailzeichnung "TREIBSTOFFEINSPRITZUNG"

30
Keramik-Schaum
34
Treibstoff-Rückschlagventil
40
Mikrowellen-Antenne
41
Wasser-Wärmetauscher
42
Treibstoff-Wärmetauscher
43
HF-Abschirmung
44
Wasserdampf-Mengenregler
45
Wasserdampf-Düse
46
Treibstoff-Einspritzanlage
47
Treibstoffleitung
48
Wasserdampf-Leitung

DETAILLIERTE FUNKTIONSBESCHREIBUNG DES EMULSIONS-FREIKOLBENMOTORS. KALTSTART

Annahme: der Motor steht und ist kalt.

  • 1.) Der Startknopf (Drehventil) wird in die Stellung „START VORBEREITEN", (3) gebracht (siehe Zeichnung). Die Druckluft vom Starttank gelangt in den Zylinder und die beiden Kolben fahren auseinander bis zum äußeren Totpunkt.

    Frischluft strömt über die nun offenen Einlassbohrungen in den Zylinder. Zugleich wird Treibstoff angesaugt.
  • 2.) Der Mikrowellen-Generator wird eingeschaltet und erhitzt den Treibstoff bis zum verdampfen.
  • Die Druck- und Temperatursensoren melden „Treibstoffdampf" zum Mikroprozessor.
  • 3.) Durch diese Signale wird der Startknopf freigegeben und auf Stellung „START" gedreht.
  • 4.) Die freigegebene Druckluft vom Starttank presst die beiden Kolben mit ca. 60 bar zusammen, die Ein- und Auslassbohrungen werden verschlossen.
  • 5.) Die Position der beiden Kolben wird durch den Verlauf der Sinusspannung an den beiden Lineargeneratoren ermittelt (Umkehrpunkt der Kolben = Nulldurchgang der Sinusspannung).

    Die elektronische Einspritzanlage (46) erhält nun den ersten (von mehreren nachfolgenden) Einspritzimpuls.
  • 6.) Treibstoffdampf strömt über die Einblasdüse (in der Mitte des linken Kolbens) in den Zylinder und mischt sich mit der Frischluft.

    Die Treibstoffmenge wird dabei vom Mikroprozessor auf optimales Startgemisch geregelt.
  • 7.) Durch die nun zunehmende Verdichtungstemperatur werden die verschieden hohen Zündtemperaturen der Treibstoffbestandteile erreicht und die Verbrennung eingeleitet.

    Flls der verwendete Treibstoff keine Selbstzündeigenschaften haben sollte (z.B. Methanol, Erdgas, Propangas etc.) erfolgt beim Aufschlagen der Kolben auf die Piezo-Zündelemente eine Fremdzündung.

    Eine katalytische Verbrennung kann auch durch die Beschichtung des Keramikschaums auf den Kolben erfolgen.
  • 8.) Der Gasdruck im Zylinder ist bei Erreichen des inneren Totpunktes (ca. 100 bis 120 bar, je nach Dimensionierung der Konstruktion) nun wesentlich höher als der Gasdruck in den Luftpuffern und die beiden Kolben fahren wieder bis zum äußeren Totpunkt auseinander.
  • 9.) Die heißen Abgase (= Arbeitsgas) gelangen über die nun freigelegten Auslassbohrungen zur Arbeitsgas-Druckleitung (23), wo sich auch die Wärmetauscher für das Wasser und den Treibstoff befinden, und von da zu den Verbrauchern.
  • 10.) Der Druck in den Luftpuffern presst die Kolben wieder zusammen und ein neuer Zyklus beginnt.

    Der Mikrowellen-Generator ist so lange eingeschaltet, bis die Druck- und Temperaturfühler „Dampf" zum Prozessor melden.

MOTOR „STOPP"

  • 1.) Das Drehventil (Startknopf) wird in Stellung „AUS" gebracht,
  • 2.) Die Treibstoff- und Wasserzufuhr wird geschlossen
  • 3.) Die Druckluft aus den Luftfedern entweicht ins Freie.
  • 4.) Die Kolben fahren zum äußeren Totpunkt.
  • 5.) Die Ein- und Auslassbohrungen werden freigegeben und der Restdampf (Treibstoff und Wasser) entweicht über die Auslassbohrungen.

    Dadurch sind beide frei von Flüssigkeiten (wichtig im Winterbetrieb)
  • 6.) Die Treibstoff-Einspritzanlage erhält noch mehrere Einspritz-Impulse, um die Druckleitungen flüssigkeitsfrei zu machen (Frostschutz).

FUNKTIONSBESCHREIBUNG (s. Fig. 1)

Der FREIKOLBEN-ENERGIEERZEUGER arbeitet mit 2 gegenläufigen Arbeitskolben (1) rechts und (1) links, die zugleich als Kurzschlussläufer (2), bzw. als bewegte Magneten (10) und in einem Lineargenerator (11) Strom erzeugen, bzw. als Linearmotor den Freikolbenmotor starten. Die durch die Expansionsenergie nach außen beschleunigten Kolben werden durch die Luftpuffer (7) aufgefangen; zugleich saugen sie über die Lamellenventile (8) Frischluft an. Die beiden Kolben erreichen nun den äußeren Totpunkt, und die Brennraumkolben geben die Ein- und Auslassbohrungen (4 und 5) frei. Das Arbeitsgas gelangt nun unter hohen Druck und Temperatur (bis 10 bar und ca. 300 Grad C) zu den Verbrauchern. Der Zylinder wird mit der vom vorherigen Takt zwischengespeicherten Luft (im Spülluft-Speicher (26) mit ca. 5 bis 8 bar gespült. Da die beiden Brennraumkolben nun fast drucklos sind, werden sie vom Druck in den beiden Gaspuffern (7) wieder nach innen beschleunigt; zugleich öffnen die Ventile (9) und die verdichtete Frischluft wird im Raum (26) zwischengespeichert. Der Treibstoff wird nach Verschließen der Ein- und Auslassbohrungen von der elektronischen Einspritzanlage (46) unter hohen Druck (ca. 60 bar) durch die Bohrung im Kolben in den Zylinder (3) eingeblasen, mit dem Frischluft/Wasserdampf-Gemisch vermischt und nach Erreichen der Zündtemperatur gezündet (Selbstzündung). Eine je nach verwendeter Treibstoffart erforderliche Fremdzündung erfolgt am inneren Totpunkt durch das Aufschlagen der Kolben (2) auf die Piezo-Zündelemente (12).

Beschreibung des "START-STOPP"-Vorganges des Freikolben- Motors.(s. Fig. 2) Beispiel: DREHVENTIL 1.) START VORBEREITEN

Drehventil wird in Stellung "VORBEREITEN" gedreht. Druckluft vom Starttank gelangt Über Anschluss 2 zum Anschl. 4 Und von dort in den Zylinder. Die beiden Kolben fahren auseinander (falls sie zusammen waren)

2.) START

Drehventil wird in Pos. "START" gedreht.

Druckluft v. Ausg. 1 gelangt zum Anschl. 3 u. 5 und von dort über Die Leitungen b, c in die Luftpuffer. Die Kolben fahren zusammen und Die erste Zündung erfolgt.

3.) "BETRIEB"

Das Drehventil wird in die Stellung „BETRIEB" gedreht und rastet in eine Feder ein.

Ein kleiner Teil der Verbrennungsgase gelangt unter hohen Druck (ca. 60 bar) über den Anschluss „a1" (Leitung mit dem Einlass- Ventil) in den Starttank und füllt ihn wieder auf.

Motor „AUS" (STOPP):

Drehventil wird über eine Raster-Stellung in die STOPP-Position gebracht.

Die Druckluft von den Luft-Federn (Leitung b, c) entweicht über den Ausgang "AUS" ins Freie. Die Kolben befinden sich Im äußeren Totpunkt.

Beispiel für die Synchronisierung der beiden Gegenkolben. (s. Fig. 4)

Wenn die beiden Sinusspannungen von den Lineargeneratoren nicht deckungsgleich sein sollten, entsteht ein Differenzpuls im EX-OR-Gatter, der über die Linearmotorwicklung (14) den Steuerkolben verschiebt, so dass die Entsprechende Druckabblas-Öffnung freigegeben wird und der zu schnelle Kolben langsamer wird.

Im Beispiel ist dies der Kolben K1.


Anspruch[de]
FREIKOLBEN-Energieerzeuger, 1

Das Prinzip der Freikolben und Gegenkolben-Motoren ist schon sehr lange bekannt und wurde sehr erfolgreich z.B. bei den JUNKERS-Flugmotoren (JUMO-Mot.) in den Jahren 1930 bis 45 realisiert

Mit der Verwendung von neuen Werkstoffen kann insbesondere mit dem Prinzip des Freikolben-Motors eine Verbesserung der Wirkungsgrade und der Lebensdauer erwartet werden.

Er kann auch durch maßstäbliche Verkleinerung und Vergrößerung an den jeweiligen Leistungsbedarf angepasst werden (v. Watt-. bis in den KW-Ber.). Der Motor besteht im Wesentlichen aus 2 Kolben und einem gemeinsamen Zylinder.
Der Freikolben-Motor nach Anspruch 1. ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen Zylinder (3) aus wärmefester Keramik besitzt, einfach hergestellt werden kann und außerdem eine gute Wärmeleitfähigkeit durch spezielle Beimischungen aufweist. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolben (1re, 1li) aus Keramik oder Kohlenstoff bestehen, schraubenförmige Rillen im Umfang eingefräst haben und durch die Entstehung eines Luftpolsters die Wandreibung erheblich verringern. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mit Platin beschichteter Keramik-Schaum (30) sich in den Mulden der Kolben befindet, um eine katalytische Verbrennung zu erreichen und so den Verbrennungsprozess zu optimieren. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoff-Einspritzung (16) in der Mitte des einen Kolbens erfolgt. Da die Kolben im Betrieb sehr heiß werden, wird der Treibstoff vor dem Verbrennen im Einspritzkopf (31) verdampft und ermöglicht deshalb eine intensive Vermischung mit der Frischluft, die für das HCCl-Verfahren erforderlich ist (s. S. 5, 6). Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Für den Betrieb des Motors eine Emulsion aus Treibstoff-/Wasserdampf gebildet wird, um

a.) die Verbrennungstemperaturen zu senken wird damit die Bildung von schädlichen Abgasen,

b.) den Wirkungsgrad durch die Verwendung von ultrahocherhitzten Wasserdampf zu erhöhen und

c.) die Russbildung durch Optimierung des Verbrennungsvorganges (HCCl-Verfahren) zu verhindern.
Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdampfen des Treibstoffes bei kalten Motor en Mikrowellen-Generator mit ca. 2,5 GHz verwendet wird, Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (32) aus Keramik besteht (Kugel und Gehäuse) und dadurch sehr hitzebeständig ist und sehr kurze Schaltzeiten durch das Fehlen von Federn aufweist. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Treibstoff-Einspritz- und Förderpumpe zusammen im inneren des Verbindungsrohres (= Pleuelstange) zwischen den beiden Kolben (1 u. 2) befindet und keinen eigenen Platz, Steuerung und Antrieb benötigt. Freikolben-Motor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluft-Starttank (19) durch eine Bohrung in der Mitte des Zylinders (und eine Druckleitung zum Starttank) im Betrieb des Motors sofort wieder aufgefüllt wird. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckluft-Startmodul (20) vorhanden ist, um den Motor ohne äußere Energiequelle zu starten. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerkolben für den Druckausgleich (15) in den beiden Gaspuffern (7) vorhanden ist, um die Synchronisation der beiden Kolben sicherzustellen. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Linearmotor für den Steuerkolben (14) vorhanden ist, um Eigenschwingungen zu verhindern und ein schnelles Ansprechen der Regelung zu gewährleisten. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lineargeneratoren (91) verwendet werden um

a. Strom zu erzeugen und

b. Eine zusätzliche Synchronisation der beiden Kolben zu erzwingen, indem die beiden Wicklungen parallel auf einen Verbraucher geschaltet werden.

Beispiel: der linke Kolben eilt vor und gibt dadurch mehr Energie an den Lineargenerator und an den Verbraucher ab; er wird durch die erhöhte Energieabgabe so lange gebremst, bis er wieder in Phase mit dem anderen Generator ist.
Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Piezo- Zündelemente (12) verwendet werden, um eine eventuell notwendige Fremdzündung zu ermöglichen; zugleich begrenzen sie den Minimum-Abstand der beiden Kolben. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündfunken über die beiden Kolbenböden springt und so das Gemisch zum richtigen Zeitpunkt zündet; bei Verwendung von Keramik-Kolben sind dazu 2 Elektroden im Kolben befestigt. Freikolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

die Einspritzung des Treibstoffes über eine elektronische Einspritzvorrichtung erfolgt, um zu den verschiedenen Zeitpunkten des Verdichtungsvorganges Treibstoff einspritzen zu können, um den Verbrennungsvorgang zu optimieren.

Die Steuerung erfolgt über die Auswertung, der Phasenlage der Spannung der beiden Lineargeneratoren (entspricht der momentanen Position der beiden Kolben).






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