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WO1992002730A1 - Freikolbenmotor - Google Patents

Freikolbenmotor Download PDF

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WO1992002730A1
WO1992002730A1 PCT/EP1991/001460 EP9101460W WO9202730A1 WO 1992002730 A1 WO1992002730 A1 WO 1992002730A1 EP 9101460 W EP9101460 W EP 9101460W WO 9202730 A1 WO9202730 A1 WO 9202730A1
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WO
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piston
pistons
free
piston engine
engine according
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Application number
PCT/EP1991/001460
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Brandl
Original Assignee
Gerhard Brandl
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 Gerhard Brandl filed Critical Gerhard Brandl
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/0003—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the distribution member forming both the inlet and discharge distributor for one single pumping chamber
    • F04B7/0015—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving the distribution member forming both the inlet and discharge distributor for one single pumping chamber and having a slidable movement
    • 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
    • F02B71/045—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby with hydrostatic transmission
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/05—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/003—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00 free-piston type pumps

Definitions

  • the invention relates to a free-piston engine.
  • Such motors are known for example from the following publications: DE 26 48 958 C2, DE-PS 12 60 860; DE 23 07 760 B2; DE 22 17 194 B2; DE-AS 14 80 101.
  • the invention aims to provide a free-piston engine that has a high efficiency with a simple structure. To achieve this object, the invention provides the measures mentioned in the claims.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of a free-piston engine
  • FIG. 2 shows a section through a second exemplary embodiment of an exemplary embodiment of a free-piston engine
  • the free-piston engine has one or more pistons 1, with which oil pistons 2 are rigidly connected, see FIG. 1, or two pistons 1 working against each other, see FIG. 2.
  • the rear side of the pistons 1 is used to convey the combustion air via the inlet slot 4, overflow channel 5 and outlet slot 6 used.
  • the pistons 1 are set in a reciprocating movement by corresponding actuation of hydraulic valves 8.
  • valve spools 9 which are excited by electrically operated pilot valves 10, execute an oscillating movement.
  • the oscillation of the pistons 1 results from the oscillating movement of the valve slide 9.
  • a microprocessor 12 switches the pilot valves 10 and thus ensures the starting and stabilization of the oscillation of the pistons 1.
  • the pistons 1 are held at the bottom dead center by means of a spring 7.
  • the pistons 1 are now accelerated towards the top dead center by pressure oil, which acts on the oil pistons 2.
  • the time period of the pressure oil effect is chosen so that the pistons 1 reach that speed which is required to effect the desired compression of the combustion air.
  • the pilot valves 10 are actuated electrically by the microprocessor 12.
  • the valve spool 9 is accelerated with pressure oil. They swing out of the rest position and open the pressure oil connection 13. Then the valve slides 9 swing back due to the effect of pressure oil on the rear side. They are braked with a pressure oil effect on the front and remain at rest.
  • the opening time of the pressure oil connection 13 is determined by a corresponding choice of the control times of the pilot valves 10 and the choice of the reversal point of the valve spool 9. If the reversal point of the valve slide 9 is just behind the opening point of the pressure oil connection 13, the opening time is short. If the reversal point is further behind, the opening time is longer.
  • the piston speed is measured with one or more sensors 11.
  • the valve slide 9 open the pressure oil connection 13 and thereby brake the piston 1.
  • the opening time and the opening time of the pressure oil connection 13 are calculated from the piston speed by the microprocessor 12 according to stored curve functions. By selecting from various curve functions, air pressure, oil pressure, temperature and other influences are taken into account.
  • the opening time is chosen so that the pistons 1 reverse their movement near the bottom dead center.
  • the opening time is chosen so that the pistons 1, after the reversal of movement, reach the speed required for the next compression.
  • the opening time and duration of the pressure oil connection 13 are maintained by corresponding switching times of the pilot valves 10 switched by the microprocessor 12.
  • the oscillating movement of the valve slide 9 is controlled according to the scheme described during the starting process.
  • the pistons 1 are stopped at the bottom dead center by corresponding valve timing.
  • pilot valves 10 are actuated electrically by the microprocessor 12.
  • One (upper) pilot valve 10 opens the pressure oil connection 13.
  • the pressure oil acts on the top (front) of the valve spool (s) 9 and accelerates it. He (she) swings (swing) from the rest position and opens (open) the pressure oil connection 13.
  • pressure oil acts on the piston (s) 1, accelerates it (them) towards top dead center and initiates the starting process.
  • the other (lower) pilot valve (s) 10 open (open) on the basis of a signal from the microprocessor 12.
  • pressure oil now acts on the underside (rear) of the (the) Valve spool (s) 9 and slows down its movement.
  • the other (lower) pilot valve 10 remains open.
  • valve spool (s) 9 now accelerates the valve spool (s) 9 in the opposite direction and begins to swing back. Then the lower (other) pilot valve 10 closes and the valve spool 9 continues to move with momentum.
  • valve slide 9 After a certain time, the valve slide 9 has moved back so far that the pressure oil connection 13 is closed again. Now no more pressure oil acts on the piston 1 and it moves with momentum to top dead center, where it Combustion air compresses and where the ignition of the first work cycle takes place.
  • the time in which the pressure oil connection 13 was open was calculated so that the piston 1 has reached such a speed that the desired compression occurs at top dead center.
  • valve slide 9 was braked at the right time by opening the lower (other) pilot valve (10) and then accelerated in the opposite direction.
  • the correct opening time of the lower (other) pilot valve 10 was calculated by the microprocessor 12 and the pilot valve 10 was actuated electrically by the microprocessor.
  • valve slide 9 is braked by reopening the upper (one) pilot valve 10 and remains in the upper rest position.
  • the valve spool 9 is held in the rest position by an oil pressure difference between the top (front side) and underside (rear).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

Freikolbenmotor, bei dem ein oder mehrere Kolben (1), die mit Hydraulikkolben (2) vorzugsweise starr verbunden sind, in Zylindern entlang der Längsachse frei beweglich sind, so dass die Hinterseite der Kolben (1) zur Förderung der Verbrennungsluft verwendet wird und die Kolbenbewegung von elektronisch angesteuerten Hydraulikventilen (8) in Gang gesetzt und gesteuert wird.

Description

Freikolbenmotor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Freikolbenmotor. Solche Motoren sind beispielsweise aus den folgenden Druckschriften bekannt: DE 26 48 958 C2, DE-PS 12 60 860; DE 23 07 760 B2; DE 22 17 194 B2; DE-AS 14 80 101.
Die Erfindung bezweckt einen Freikolbenmotor vorzusehen, der bei einfachem Aufbau eine hohe Effizienz besitzt. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen genannten Maßnahmen vor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beschreiben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungs¬ beispiel eines Freikolbenmotors;
Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors; und
Fig. 3 den Schnitt A-A in Fig. 2.
Der Freikolbenmotor hat einen oder mehrere Kolben 1, mit denen Ölkolben 2 starr verbunden sind, siehe dazu Fig. 1, oder zwei gegeneinander arbeitende Kolben 1, siehe dazu Fig. 2. Die Hin¬ terseite der Kolben 1 wied zur Förderung der Verbrennungsluft über Einlaßschlitz 4, Überströ kanal 5 und Auslaßschlitz 6 verwendet.
Die Kolben 1 werden durch entsprechende Betätigung von Hydraulikventilen 8 in eine hin- und herschwingende Bewegung versetzt. In den Hydraulikventilen 8 sind Ventilschieber 9, die durch elektrisch betätigte Vorsteuerventile 10 angeregt, eine schwingende Bewegung ausführen. Aus der Schwingbewegung der Ventilschieber 9 ergibt sich die Schwingung der Kolben 1. Ein Mikroprozessor 12 schaltet die Vorsteuerventile 10 und sorgt damit für die Ingangsetzung und Stabilisierung der Schwingung der Kolben 1.
Vor dem Start werden die Kolben 1 mit eienr Feder 7 im unteren Totpunkt gehalten. Nun werden die Kolben 1 durch Drucköl, das auf die Ölkolben 2 wirkt, in Richtung zum oberen Totpunkt be¬ schleunigt. Die Zeitspanne der Druckölwirkung wird so gewählt, daß die Kolben 1 jene Geschwindigkeit erreichen, die zur Bewirkung der gewünschten Kompression der Verbrennungsluft erforderlich ist.
Zum Öffnen des Druckölanschlusses 13 werden die Vorsteuer¬ ventile 10 vom Mikroprozessor 12 elektrisch betätigt. Dadurch werden die Ventilschieber 9 mit Drucköl beschleunigt. Sie schwingen aus der Ruhestellung und öffnen den Druckölanschluß 13. Dann schwingen die Ventilschieber 9 infolge von Drucköl¬ wirkung auf die Hinterseite zurück. Sie werden mit Drucköl¬ wirkung auf die Vorderseite abgebremst und bleiben in Ruhe¬ stellung stehen.
Die Öffnungszeit des Druckölanschlusses 13 wird durch ent¬ sprechende Wahl der Steuerzeiten des Vorsteuerventile 10 und der damit gegebenen Wahl des Umkehrpunktes der Ventilschieber 9 bestimmt. Liegt der Umkehrpunkt der Ventilschieber 9 knapp hinter dem Öffungspunkt des Druckölanschlusses 13, so ergibt sich eine kurze Öffnungszeit. Liegt der Umkehrpunkt weiter dahinter, so ergibt sich eine längere Öffnungszeit.
Nun erfolgt die Zündung und die Kolben 1 werden durch den Ver¬ brennungsdruck in Richtung zum unteren Totpunkt beschleunigt. Mit einem oder mit mehreren Sensoren 11 wird die Kolbenge¬ schwindigkeit gemessen. Dann öffnen die Ventilschieber 9 den Druckölanschluß 13 und bremsen dadurch die Kolben 1. Der Öffnungszeitpunkt und die Öffnungsdauer des Druckölanschlusses 13 werden aus der Kolbengeschwindingkeit vom Mikroprozessor 12 nach gespeicherten Kurvenfunktionen berechnet. Durch die Aus¬ wahl aus verschiedenen Kurvenfunktionen werden Luftdruck, Öl¬ druck, Temperatur und andere Einflüsse berücksichtigt.
Der Öffnungszeitpunkt wird so gewählt, daß die Kolben 1 ihre Bewegung in der Nähe des unteren Totpunktes umkehren. Die Öffnungsdauer wird so gewählt, daß die Kolben 1 nach der Be¬ wegungsumkehr die für die nächste Kompression nötige Ge¬ schwindigkeit erreichen.
Öffnungszeitpunkt und Öffnungsdauer des Druckölanschlusses 13 werden durch entsprechende Schaltzeiten der vom Mikroprozessor 12 geschalteten Vorsteuerventile 10 eingehalten. Die An- steuerung der Schwingbewegung der Ventilschieber 9 erfolgt nach dem beim Startvorgang beschriebenen Schema.
Durch Anordung mehrerer paralell arbeitender Hydraulikventile 8 je Kolben 1 wird die Schaltungsgeschwindigkeit der Steuerung erhöht.
Bei gegenläufig arbeitenden Kolben 1 wird die Bewegung dadurch synchronisiert, daß ein Kolben als Führungskolben genommen wird und die Steuerzeiten des geführten Kolbens entsprechend korrigiert werden.
Zum Abstellen des Motors werden die Kolben 1 durch entsprech¬ ende Ventilsteuerzeiten im unteren Totpunkt angehalten.
Da die Energie aus dem Verbrennungsdruck größer ist als die Kompressionsenergie, wird bei diesem Vorgang Öl gepumpt.
Obwohl obige Ausführungen dem Fachmann eine klare Lehre zum technischen Handeln geben, sei noch ergänzend folgendes betont. Zum Beschleunigen des (der) Kolben(s) in Richtung zum oberen Totpunkt, um den Startvorgang einzuleiten, werden die Vor¬ steuerventile 10 vom Mikroprozessor 12 elektrisch betätigt. Das eine (obere) Vorsteuerventil 10 öffnet den Druckölanschluß 13. Das Drucköl wirkt auf die Oberseite (Vorderseite) des (der) Ventilschieber(s) 9 und beschleunigt ihn (sie). Er (sie) schwingt (schwingen) aus der Ruhestellung und öffnet (öffnen) den Druckölanschluß 13. Dadurch wirkt Drucköl auf den (die) Kolben 1, beschleunigt ihn (sie) in Richtung zum oberen Totpunkt und leiten daduch den Startvorgang ein.
Nun schließt (schließen) das (die) eine(n) (obere(n)) Vorsteuerventil(e) 10. Der Ventilschieber 9 bewegt sich nun durch Schwung weiter.
Zu einem vorberechneten Zeitpunkt öffnet (öffnen) das (die) andere(n) (untere(n)) Vorsteuerventil(e) 10 auf Grund eines Signals aus dem Mikroprozessor 12. Dadurch wirkt nun Drucköl auf die Unterseite (Hinterseite) des (der) Ventilschieber(s) 9 und bremst dessen (deren) Bewegung ab. Wenn diese zum Still¬ stand gekommen ist, bleibt das andere (untere) Vorsteuerventil 10 weiter offen.
Durch den weiter auf die Unterseite (Hinterseite) des (der) Ventilschieber(s) 9 wirkenden Öldruck wird (werden) der (die) Ventilschieber 9 nun in die Gegenrichtung beschleunigt und beginnen zurückzuschwingen. Dann schließt das untere (andere) Vorsteuerventil 10 und der Ventilschieber 9 bewegt sich mit Schwung weiter.
Nach einer gewissen Zeit hat sich der Ventilschieber 9 so weit zurückbewegt, daß der Druckölanschluß 13 wieder geschlossen ist. Nun wirkt kein Drucköl mehr auf den Kolben 1 und er bewegt sich mit Schwung weiter zum oberen Totpunkt, wo er die Verbrennungsluft komprimiert und wo die Zündung des ersten Arbeitstaktes erfolgt.
Die Zeit, in der der Druckölanschluß 13 offen war, wurde so berechnet, daß der Kolben 1 eine derartige Geschwindigkeit erreicht hat, daß im oberen Totpunkt die gewünschte Kompression entsteht.
Um diese Öffnungszeit des Druckölanschlusses 13 einzuhalten wurde der Ventilschieber 9 zum richtigen Zeitpunkt durch Öffnen des unteren (anderen) Vorsteuerventiles (10) abgebremst und darauf in die Gegenrichtung beschleunigt.
Der richtige Öffnungszeitpunkt des unteren (anderen) Vor¬ steuerventiles 10 wurde vom Mikroprozessor 12 errechnet und das Vorsteuerventil 10 wurde vom Mikroprozessor elektrisch betätigt.
Nun wird der Ventilschieber 9 durch erneutes Öffnen des oberen (einen) Vorsteuerventiles 10 abgebremst und bleibt in der oberen Ruhestellung. Durch eine Öldruckdifferenz zwischen der Oberseite (Vorderse.ite) und Unterseite (Hinterseite) des Ventilschiebers 9 wird dieser in der Ruhestellung gehalten.

Claims

Patentansprüche:
1. Freikolbenmotor bei dem ein oder mehrere Kolben (1), die mit Hydraulikkolben (2) vorzugsweise starr verbunden sind, in Zylindern entlang der Längsachse frei beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterseite der Kolben (1) zur För¬ derung der Verbrennungsluft verwendet wird und die Kolben¬ bewegung von elektronisch angesteuerten Hydraulikventilen (8) in Gang gesetzt und gesteuert wird.
2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Kolben gegeneinander arbeiten.
3. Freikolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentanprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je Kolben (1) mehrere Hydraulikventile (8) paralell arbeiten, wodurch die Ansprechzeit der hydraulischen Steuerung verringert wird.
4. Freikolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenge¬ schwindigkeit von einem oder mehreren Sensoren (11) gemessen wird und danach Wirkungsbeginn und Wirkungsdauer des Hoch¬ drucköles auf die Hydraulikkolben (2) so bemessen wird, daß die Kolben (1) in Nähe des unteren Hydraulikkolbens (2) so bemessen wird, daß die Kolben (1) in Nähe des unteren Tot¬ punktes ihre Bewegung umkehren und danach so beschleunigt werden, daß die gewünschte Kompression entsteht.
5. Freikolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnt, daß die Ventilschieber (9) zur Einleitung des Steuervorganges aus der Ruhestellung in Richtung Öffnung des Hochdruckanschlusses (13) beschleunigt, danach bis zur Bewegungsumkehr gebremst und in die Gegen¬ richtung beschleunigt und danach bis zum Stillstand in der Ruhestellung wieder gebremst werden.
6. Freikolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Wahl der Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten und damit des Umkehrpunktes der Ventil¬ schieber (9) Wirkungsbeginn und Wirkungsdauer des Hoch¬ drucköles auf die Hydraulikkolben (2) bestimmt werden.
7. Freikolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Berechnung der Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit von der Kolbengeschwindigkeit nach eingespeicherten Kurvenfunktionen erfolgt, wobei nach Öldruck, Luftdruck, Temperatur und nach anderen Einflüssen die entsprechende von mehreren eingespeicherten Kurvenfunktionen gewählt wird.
8. Freikolbenmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisation der beiden gegenläufigen Kolben (1) elektronisch durch Korrektur des Steuerzeiten erfolgt, wobei die Steuerzeiten des geführten Kolbens entsprechend der tatsächlichen Bewegung des Führungskolbens korrigiert werden.
PCT/EP1991/001460 1990-08-02 1991-08-02 Freikolbenmotor WO1992002730A1 (de)

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