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Dokumentenidentifikation DE102005016469B4 19.04.2007
Titel Freikolbenmotor mit hydrostatischer und elektrischer Leistungsabgabe
Anmelder Wilhelm, Kurt, 33689 Bielefeld, DE
Erfinder Wilhelm, Kurt, 33689 Bielefeld, DE
DE-Anmeldedatum 11.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005016469
Offenlegungstag 12.10.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse F02B 71/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden Freikolbenmotor mit Vorrichtungen zur hydrostatischer Leistungsabgabe, diese Vorrichtungen sind Kolbenpumpen, die nicht wie üblich vom Motorkolben angetrieben werden, sondern von einer zweiten im Motorblock axial bewegbaren Gewichtsmasse, die je nach gewählter Konstruktion aus den beiden fest miteinander verbundenen Gegenkolben und deren Verbindungselementen besteht, bzw. aus den zwei Zylinderköpfen und dem Zylindermantel.

Ein derartiges System der Leistungsabgabe für Freikolbenmotoren ist durch die Patentschrift DE 35 08 726 bekannt, das Grundlage vorliegender Erfindung ist. Eine wesentliche Optimierung dieses Systems kann erreicht werden, wenn die nachfolgenden physikalischen Gegebenheiten genutzt bzw. beachtet werden. Grundsätzlich besteht bei Verbrennungsmotoren das Problem, daß die Energiespeicherung in den Arbeitsräumen des Motors unter sehr ungünstigen Bedingungen stattfindet, die sich durch hohe Kühlverluste bemerkbar machen. Hohe Verdichtung erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad und senkt außerdem noch die Kühlverluste. Beim Freikolbenmotor bedeutet hohe Verdichtung zwangsläufig höhere Kolbengeschwindigkeit und somit schnellere Verdichtung und schnellere Entspannung der heißen Gase besonders im Bereich des OT, dadurch schnellere thermodynamische Abkühlung der heißen Gase und somit kürzere Zeiten für den verlustreichen Wärmestrom zu den relativen kalten Begrenzungsflächen. Höhere Verdichtung verursacht auch höhere Spül- und Reibungsverluste sowie höhere Geräuschemissionen.

Bei dem Freikolbenmotor gemäß vorgenannter Patentschrift beinhaltet die lose variable Kopplung zwischen dem Motorkolben und den Pumpenkolben über den pulsierenden Druck in den Arbeitsräumen des Motors bei hydrostatischer Leistungsabgabe und bei entsprechender Bemessung, eine systembedingte vollautomatische stabile Steuerung der Leistungsabgabe, wenn sichergestellt ist, daß ein motorspezifischer Differenzdruck nicht unterschritten wird wogegen die Kolbenpumpen fördern. Dieses System der Leistungsabgabe ist somit bestens geeignet für hydrostatische Leistung, und die Form der Leistungsabgabe ist auch erforderlich um den Motor im mittleren bis oberen Lastbereich sicher zu betreiben. Nachteilig ist jedoch, daß der Motorblock axial etwas hin- und herschwingt.

Damit der Motor universeller einsetzbar ist, wäre es sinnvoll den Motor mit mindestens einem zusätzlichen freikolbengerechten System der Leistungsabgabe auszustatten

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Freikolbenmotor der beschriebenen Art zu schaffen, der die Energie des Treibstoffes optimal nutzt, und bei dem die Leistungsabgabe den jeweiligen Verwendungszweck sowie den wechselnden Betriebsbedingungen optimal angepaßt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe werden die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Es ist vorteilhaft, wenn der Starter des Freikolbenmotors ein elektrischer Lineartrieb ist, der auf dem Motorkolben wirkt, denn es genügt nur eine relativ geringe Kraft um den Motorkolben hochschwingen zu lassen. Eine weitere Möglichkeit den Motor zu starten ergibt sich, wenn ein elektrischer Lineartrieb der zwischen der axial bewegbaren Gewichtsmasse und den Motorblock wirkt, so angesteuert wird, daß er als Motor arbeitet.

Weil der Motorblock axial mitschwingt, ist es vorgesehen den Motor mit einem Rahmen zu versehen der Teil eines Gehäuses sein kann, und den Motor am oder im Rahmen so zu befestigen ist, daß er axial bewegbar bleibt und durch Federn oder elastischen Bänder gegen den Rahmen abgestützt wird.

Vorteilhaft ist es wenn die Massenträgheit des Rahmens möglichst groß ist. Deshalb ist vorgesehen die erforderlichen Komponenten wie Batterie, Hydrospeicher, Kühler usw. am oder im Rahmen zu befestigen.

Im unterem Lastbereich kann es vorteilhaft sein den Motor von der hydrostatischen Leistungsabgabe zu trennen, deshalb ist eine Bypassschaltung der Kolbenpumpen vorgesehen.

Besonders bei größeren Motoren ist es vorteilhaft wenn die Kühlwärme des Motors besonders des Motorkolben und der Zylinderköpfe energietechnisch genutzt wird. Da bei diesem Freikolbenmotor der Motorkolben relativ schwer sein soll, kann der Motorkolben gut mit druckfesten Verdampfungsräumen und Verdampfungskanälen versehen werden.

Eine vollautomatische phasenrichtige Steuerung der Dampfeinspeisung in den Motorenarbeitsräumen bzw. Nebenarbeitsräumen kann vorteilhaft mit einfachen Kolben- oder Rückschlagventilen gelöst werden. Die Gewichtsmasse des Ventilkolbens bzw. des Ventilkegels muß entsprechend des Einbauortes und erforderlichen Steuerzeiten bemessen werden, außerdem muß die Einbaurichtung stimmen.

Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft wenn Nebenarbeitsräume vorhanden sind, die zwischen Motorkolben und der axial bewegbaren Gewichtsmasse wirken, sie können je nach Anwendung des Freikolbenmotors, optimal als Dampfmotoren, Stirlingmotoren, als Kompressoren und als Starter genutzt werden, für hydrostatische Förderung sind sie jedoch völlig ungeeignet.

Bei Nutzung der Nebenarbeitsräume als Dampfmotor genügt eine einfache kostengünstige Steuerung durch Schlitze im Bereich des OT und des UT.

Um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu erhöhen ist eine Aufladung des Motors vorgesehen.

Besonders vorteilhaft ist es wenn die Aufladung durch einen Turbolader erfolgt, und wobei der Grad der Aufladung über die Umdrehungszahl der Turbine beeinflußt werden kann.

Eine Brennkammer vor der Entspannungsturbine ist bei etlichen Anwendungen vorteilhaft, hiermit kann die Leistung der Turbine erhöht werden, wodurch eine bessere Spülung der Arbeitsräume des Motors erreicht wird.

Die Abgasnachbehandlung kann dadurch verbessert werden, daß ein Katalysator vor der Entspannungsturbine angeordnet ist.

Bei dezentraler Energieversorgung, ist zur Nutzung der Abwärme ein Wärmetauscher hinter der Entspannungsturbine vorteilhaft.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Schemazeichnungen näher erläutert.

1 und 2. Ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors mit Vorrichtungen zur hydrostatischen und elektrischen Leistungsabgabe sowie Nebenarbeiträumen, auszugsweise in zwei Längsschnitten.

Das Prinzip dieses Freikolbenmotors besteht darin, daß er zwei hin- und herschwingende Gewichtsmassen hat, die durch die Funktionsabläufe in den Motorenarbeitsräumen 4 und den Nebenarbeitsräumen 12 gekoppelt sind. Der Motorkolben 2 wird nachfolgend auch als Gewichtmasse a bezeichnet und ist nicht direkt an der Leistungsabgabe beteiligt. Die zweite Gewichtsmasse wird nachfolgend auch als Gewichtsmasse b bezeichnet, sie besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus den beiden Zylinderköpfen 24, den Zylindermantel 18, sowie das Kolbenelement 6 der Nebenarbeitsräume 12, den beiden Pumpenkolben 8, und aus den Läufern 10 der vier Lineargeneratoren.

In den zwei Motorenarbeitsräumen 4 findet der thermodynamische Kreisprozeß nach dem Zweitaktverfahren statt, die dabei axialwirkende Kräfte belasten den Motorkolben 2 (Gewichtsmasse a) und über die beiden Zylinderköpfe 24 die Gewichtsmasse b. Die beiden Nebenarbeitsräume 12 sind bei diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Motorkolben 2 und werden als Dampfmotor genutzt, sie wirken auf die Gewichtsmasse a und b.

Die axial wirkenden Kräfte in den beiden Pumpenarbeitsräumen und in den Luftpolstern sowie die axialwirkenden Kräfte der vier Lineargeneratoren belasten die Gewichtsmasse b und den Motorblock 1.

Die Gewichtsmassen a und die Gewichtmasse b messen stetig die auf sie axial wirkenden Kräfte, und „errechnen" die zwei resultierenden Kräfte und jede steuert für sich durch ihre Massenträgheit ihre Beschleunigung bzw. Abbremsung.

Die Amplituden der Gewichtsmasse b haben eine systembedingte Begrenzung, sie ergibt sich hauptsächlich aus dem Gewichtsverhältnis der beiden Gewichtsmassen a und b. Die symmetrisch angeordneten Luftpolster (nicht dargestellt) sorgen dafür, daß die Gewichtsmasse b nicht abdriftet und mit dem Motorblock kollidiert. Bei kleinen Motoren können die Luftpolster durch Federn ersetzt werden.

Die Dampfzufuhr der Nebenarbeitsräumen 12, wird vollautomatisch mengenabhängig und phasenrichtig gesteuert, durch die Massenträgheit der Kegel der beiden Rückschlagventile 22, und durch den Druck in den Verdampfungsräumen 28. Die beiden Dampfkanäle 26 werden im Bereich des UT durch Schlitzsteuerung geöffnet.

Läuft der Motor im untersten Lastbereich und ist er nicht von der hydrostatischen Leistungsabgabe getrennt, dann sind die Amplituden der Gewichtmasse b klein.

Wird bei diesem Betriebszustand die hydrostatische Leistungsabgabe durch einen Bypass (nicht dargestellt) von dem Motor getrennt, weil nur elektrische Energie verlangt wird, ändert sich das Schwingverhalten der Gewichtsmasse b so, daß die Amplituden der Gewichtsmasse b maximale Werte erreichen können. Die Verdichtungszahl in den Arbeitsräumen 4 des Motors ist jetzt der bestimmende Faktor für die Geschwindigkeit der Gewichtsmasse b und somit für eine elektrisch ungeregelte Energieabgabe. Ist dabei die thermodynamische Energiezuführung kleiner als die Energieabgabe, dann sinken die Verdichtungszahlen in den Arbeitsräumen 4 und es können Werte erreicht werden, daß der Motor stehen bleibt. Deshalb ist eine Regelung der Stromentnahme unbedingt erforderlich, das kann durch Phasenanschnitt oder durch Abschaltung einzelner Spulen erfolgen.

3 ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors, wobei die Vorrichtungen zur Stromerzeugung zwischen dem Motorkolben 2 und dem Motorblock 1 wirken, auszugsweise im Längsschnitt. Die beiden Läufer 28 sind hierbei fest mit dem Motorkolben 2 verbunden, so daß der Motorkolben 2 mit den beiden Läufern 28 die Gewichtsmasse a bilden. Die beiden Statoren 30 sind fest mit dem Motorblock 1 verbunden.

Der Motor kann gestartet werden, indem die Statoren 30 so angesteuert werden, daß die elektromagnetische Beaufschlagung der Läufervorrichtungen im jeweiligen relativen Wendepunkt des Motorkolben 2 das Vorzeichen ändert. Nach wenigen Schwingungen ist die Geschwindigkeit des Motorkolbens so hoch, daß eine ausreichende Verdichtung und somit auch die erforderliche Zündtemperatur des Kraftstoffes in den Arbeitsräumen des Motors erreicht wird.

4 ein Ausführungsbeispiel des Freikolbenmotors, wobei die Zylinderlauffläche der Motorenarbeitsräume 4 Bestandteil des Motorblocks 1 sind, auszugsweise im Längsschnitt. Die axial bewegbare Gewichtsmasse b besteht aus den zwei Gegenkolben 32, aus dem Verbindungselement 42, aus den beiden Pumpenkolben 8 und aus den Läufern 10.

Das Mittelteil des Motorkolbens 2 ist der Läufer und bildet mit der Ringspule 40 einen Lineargenerator der zwischen der Gewichtsmasse a und den Motorblock 1 wirkt. Die anderen Lineargeneratoren wirken zwischen der Gewichtsmasse b und dem Motorblock.

Der Motor kann gestartet werden, indem die Ringspule 40 so angesteuert wird, daß die elektromagnetische Beaufschlagung des Motorkolbens im jeweiligen relativen Wendepunkt des Motorkolbens 2 das Vorzeichen ändert. Damit der Startvorgang schneller erfolgt: Wird der Motor von der hydrostatischen Leistungsabgabe getrennt und die vier Ringspulen 20 werden so angesteuert, daß die elektromagnetische Beaufschlagung der Läufer 10 um 180 Grad phasenverschoben gegenüber des Motorkolbens 2 erfolgt.

Sind die Lineargeneratoren entsprechend bemessen, dann kann im unterem bis mittlerem Leistungsbereich die Leistungsabgabe voll elektrisch erfolgen.

Der Motorkolben 2 schwingt dann gegenüber der Gewichtsmasse b um 180 Grad phasenverschoben, so daß der effektive Verdichtungshub und der effektive Arbeitshub in den Arbeitsräumen 4 gleich groß sind.

Mit zugeschalteter hydrostatischer Leistungsabgabe ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit den zwei Gegenkolben 32 der effektive Verdichtungshub kleiner als der Arbeitshub, das erhöht den Wirkungsgrad besonders im oberen Lastbereicht.


Anspruch[de]
Die Erfindung betrifft einen doppeltwirkenden Freikolbenmotor mit Vorrichtungen zur hydrostatischen Leistungsabgabe, diese Vorrichtungen sind Kolbenpumpen, die nicht wie üblich vom Motorkolben angetrieben werden, sondern von einer zweiten, im Motorblock axial bewegbaren Gewichtsmasse, die je nach gewählter Konstruktion aus den beiden fest miteinander verbundenen Gegenkolben und deren Verbindungselementen besteht, bzw. aus den zwei Zylinderköpfen und dem Zylindermantel, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen zur elektrischen Stromerzeugung vorhanden sind, die als Lineargeneratoren arbeiten können, und zwischen dem Motorkolben und der axial bewegbaren Gewichtsmasse wirken und/oder zwischen dem Motorkolben und dem Motorblock wirken, und daß Vorrichtungen zur Regelung der Stromentnahme vorhanden sind. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Steuervorrichtungen vorhanden sind, die mindestens einen Lineargenerator so ansteuern können, daß er die Funktion eines Linearmotors hat. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorblock in oder auf einem Rahmen, welcher ein Teil eines Gehäuse sein kann, axial bewegbar befestigt ist, und daß mechanisch elastische Vorrichtungen vorhanden sind, die den axial mitschwingenden Motorblock gegen den Rahmen abstützen. Freikolbenmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen mit Befestigungsvorrichtungen versehen ist, damit die zum Betrieb erforderlichen Bauteile wie Batterien, Hydrospeicher, Kühler usw. sicher befestigt werden können. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch ansteuerbare hydraulische Bypassvorrichtungen vorhanden sind, die beim Starten und im unteren Lastbereich den Freikolbenmotor von der hydrostatischen Leistungsabgabe abkoppeln können. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere druckfeste Verdampfungsräume zur Kühlung des Motors vorhanden sind, diese können im Motorkolben, Zylinderköpfen, Gegenkolben und im Zylindermantel sein. Freikolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein druckfester Verdampfungsraum mit mindestens einen speziell bemessenen Ventil versehen ist, das in axialer Richtung so eingebaut wird, daß es durch die Massenträgheit des Ventilkolbens bzw. des Ventilskegel oder der Ventilkugel geöffnet bez. geschlossen wird. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Nebenarbeitsräume vorhanden sind, bei denen je Nebenarbeitsraum eine Wirkfläche fest mit dem Motorkolben verbunden ist, und die andere Wirkfläche fest mit der axial bewegbaren Gewichtsmasse verbunden ist, so daß die Nebenarbeitsräume mit den zwei Motorenarbeitsräumen synchron arbeiten. Freikolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenarbeitsraum vorhanden ist, der im Bereich des OT und UT durch Schlitzsteuerung gespült werden kann. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung des Motors mindestens ein Turbolader vorhanden ist. Freikolbenmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Turbolader vorhanden ist, der mit einem ansteuerbaren Elektromotor/Generator versehen ist, so daß über die Drehzahl der Turbine der Grad der Aufladung beeinflußbar ist. Freikolbenmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Turbolader vor der Entspannungsturbine eine Brennkammer aufweist. Freikolbenmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Brennkammer mit einem Katalysator versehen ist. Freikolbenmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher hinter der Entspannungsturbine vorhanden ist.






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