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Patent Searching and Data


Title:
FREE-PISTON ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1992/002730
Kind Code:
A1
Abstract:
A free-piston engine has one or more pistons (1) which are preferably rigidly connected to hydraulic pistons (2) and which move freely in cylinders along the longitudinal axis. The rear face of the piston (1) is used to convey the combustion air and the piston movement is induced and controlled by electronically actuated hydraulic valves (8).

Inventors:
Brandl, Gerhard (AT)
Application Number:
PCT/EP1991/001460
Publication Date:
February 20, 1992
Filing Date:
August 02, 1991
Export Citation:
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Assignee:
Brandl, Gerhard (AT)
International Classes:
F02B71/04; F04B7/00; F04B17/05; F04B19/00; (IPC1-7): F02B71/04; F04B7/00; F04B17/00; F04B19/00
Foreign References:
EP0085800A21983-08-17
GB1332799A1973-10-03
US4382748A1983-05-10
US4307999A1981-12-29
Attorney, Agent or Firm:
Wagner, Karl H. (Wagner & Geyer, Gewürzmühlstr. 5, München 22, D-8000, DE)
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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.
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.