DE1945924A1

DE1945924A1 - Freikolbenmaschine

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Publication number: DE1945924A1
Application number: DE19691945924
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: LENGER KARL WERNER
Current assignee: LENGER KARL WERNER
Priority date: 1969-09-11
Filing date: 1969-09-11
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3777722A

Description

FAIENIANWXUE 1 94592 A

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEAAANN DR. M. KOHLER DIPL-ING. C GERNHARDT

MDNCHEN HAMBURG

2000 HAMBURG 50, lo. Sept. I969 TELEGRAMME: KARPATENT KDNIGSTRASSE 28

W. 23922/69 12/Pa

Karl Werner Lenger Hamburg

Freikolbenmaschine.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Freikolbenmaschine, die insbesondere als Freikolbengaserzeuger oder Freikolbengasverdichter angewendet werden kann. Bei üblichen Freikolbenmaschinen dieser Art ist der im Motorzylinder geführte Motorkolben mit dem im Verdichterzylinder geführten Verdichterkolben arbeitsmäßig verbunden.

Gegenwärtig werden bei solchen Freikolbenmaschinen maximale Drücke im Bereich von 12o bis 15o at angewendet. Solcne Drücke fuhren naturgemäß zu verhältnismäßig hohen Temperaturen. Aus diesem Grunde werden die Zylinder und die üblichen mit Kolbenringen versehenen Kolben gekühlt, wooei für den Zylinder Außenkühlung und für den Kolben gewöhnlich Innenkühlung verwendet wird. Hierdurch ergibt sich eine vergleicnsweise komplizierte und gewichtsmäßig schwere Ausführung der Freikolbenmaschine, was wiederum zur Verringerung der Kolbenspielzahl und damit der Leistung der Maschine führt, die auch von der Spielzahl abhängt.

Bei dem Versuch, die maximalen Drücke und damit die Leistung solcher Maschinen zu erhöhen, ergeben sich vergleichsweise große Beanspruchungen, insbesondere der Kolbenringe, weil diese als die relativ empfindlichsten Bauteile unter den hohen Druck- und Wärmebeanspruchungen zuerst versagen. Außerdem ergibt sich vergrößerte Abnutzung sowohl am Zylinder als auch am Kolben. Es sind bereits Versuche gemacht worden, bei Verbrennungsmaschinen ringlose Kolben

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zu verwenden.' Dabei wurden Kolben und Zylinder aus dem üblichen. Material hergestellt und der Kolben mittels einer besonderen Führung an der Kolbenstange geführt. Da das Material von Kolben und Zylinder vergleichsweise große und auch unterschiedliche Wärmedehnung hat, muß die Ausführung so getroffen werden, daß zumindest in kaltem Zustand verhältnismäßig großes Spiel zwischen Kolben und Zylinder vorhanden ist. Dies führt wiederum zu unerwünscht großen Spaltverlusten oder Leckverlusten. Ein weiteres Problem bei der Verwendung von ringlosen Kolben liegt darin, daß sowohl am Kolben als auch am Zylinder ein Durchbrennen sich ergeben kann, und zwar zufolge der heißen Verbrennungsgase, die in großer Menge und mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinder strömen. Das genannte große Spiel zwischen Kolben und Zylinder kann auch dann nicht verkleinert werden, wenn für Kolben und Zylinder jeweils das gleiche Material verwendet wird, insbesondere deswegen nicht, weil der Kolben im Betrieb heißer als der Zylinder ist.

Die Erfindung bezweckt, eine Freikolbenmaschine der einleitend genannten Art zu schaffen, bei der die obengenannten Nachteile vermieden sind.

Gemäß der Erfindung ist eine Freikolbenmaschine der genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Motorkolben und der Motorzylinder aus Material geringer Wärmedehnung gebildet sind und daß das Spiel des ringlosen Motorkolbens stromab bzw.'außerhalb des Verbrennungsraumes bzw. der Ladungswechselschlitze kleiner als im Verbrennungsraum ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können auch der Verdichterzylinder und der darin geführte Kolben aus Material geringer Wärmedehnung gebildet sein.

Vorzugsweise wird für die Kolben und Zylinder ein Material verwendet, das eine maximale Wärmedehnungszahl von 30 χ 10"'/⁰C hat. Ein solches Material kann vorzugsweise

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Quarzglas oder ein geeignetes keramisches Material oder auch ein Nickelstahl oder Chromnickelstahl wie Invarstahl oder El-Invarstahl sein. Die Wärmea«edehnung ist bei den genannten Stählen etwas größer als die Wärmedehnung von keramischen Werkstoffen. Allgemein werden die keramischen Werkstoffe vorgezogen, da sie eine gewichtsmäßig leichtere Ausführung zulassen, wodurch die Kolbenfrequenz bzw. die Kolbenspielzahl der Maschine und damit auch die Leistung erhöht werden kann. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der keramischen Werkstoffe besteht in ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Wärmeverluste der Maschine nach außen verkleinert werden. Ein geeigneter keramischer Werkstoff ist Pyroceram, der eine Wärmedehnungszahl von etwa 10 χ 10~'/°C hat und bei Temperaturen bis zu 1200 ⁰C verwendet werden kann.

Durch die Verwendung von Material mit sehr geringer Wärmedehnung, wie es hier vorgeschlagen ist, ist es möglich, den Spalt zwischen Motorkolben und Zylinder vergleichsweise klein zu halten, wodurch insbesondere die Spaltverluste oder Leckverluste verringert sind, aber auch das erwähnte Durchbrennen im wesentlichen vermieden ist.

Wird der Motorzylinder aus keramischem Werkstoff gebildet, so wird vorzugsweise um den Zylinder herum ein aus geeignetem Metall bestehender Schrumpfmantel vorgesehen, der den Verbrennungsdruck aufnimmt und somit den Zylinder gegen Beschädigung oder Zerstörung schützt.

Es ist eine Motorkolbenführungseinrichtung außerhalb der Verbrennungszone vorgesehen, die vorzugsweise aus selbstschmierendem Material mit einer maximalen Wärmeausdehnungszahl von 4o χ 10~'/°C besteht. Bevorzugte Materialien sind Kohlenstoff wie Graphit oder Kunstkohle, wobei gegebenenfalls zur Erhöhung der Verschleißfestingkeit Keramikteilchen eingelagert sind. Die Puhrungseinrichtung kann vorzugsweise als Buchse ausgebildet und in dem "kalten" Ende des MotorZylinders angeordnet sein. Sie kann gemäß

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der Erfindung aber auch durch Brennspritzverfahren bzw. Flammspritzverfahren auf der inneren Zylinderwand gebildet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im Bereich der Motorkolbenführungseinrichtung Druckgas eingeführt, das als Gleitgas wirkt. Wird ein solches Gleitgas verwendet^ so wird es bevorzugt, daß die Führungsfläehe der Motorkolbenführungseinrichtung durch Längsstege und Umfangsstege in eine Mehrzahl von Feldern unterteilt ist, deren Jedem eine oder mehrere Druekgaszufuhröffnungen und eine oder mehrere Druckgaswegführöffnungen zugeordnet sind. Bei einer solchen Ausführung ist es, um das Bestreben des Druckgases, den Kolben mittig anzuordnen, dauerndaufrechtzuerhalten, wichtig, daß die Druckgaswegführöffnungen so groß bemessen sind, daß im Bereich der die Felder trennenden Stege sich bei seitlichem Andrücken des Kolbens gegen die Zylinderwand kein Druckstau ergeben kann, der dazu führen würde, daß die den Motorkolben in die seitliche Stellung drückende Kraft größer als die Kraft ist, die den Motorkolben in die mittige, gerade Stellung zu drücken sucht. In anderen Worten ausgedrückt, würde, falls sich Gleitgas seitlich in den Spalt unterhalb dieser Stege und in den Spalt vor und hinter einem Einströmfeld einsehleicht, die Kraft, die von diesem auf eine größere Fläche wirkenden Druck herrührt, die Schwebekraft, die nur der Fläche der Felder entspricht, übersteigen und ein seitliches Anpressen des Kolbens bewirken und so ein reibungsloses Gleiten unmöglich machen. Um dies zu verhindern, muß das eingeschlichene Gas so schnell wie möglich weggeführt werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auch der Verdichterkolben als Kolben ohne Ringe ausgebildet und mittig auf einem Zapfen mittels einer Buchse aus selbstschmierendem oder Schmierstoffspeicherndem Material geführt. Weiterhin sind vorzugsweise der Verdichter-

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kolben und der Motorkolben getrennt ausgeführt, und das entsprechende Ende des Motorkolbens ist mit Spiel in oder auf einer entsprechenden Nabe des Verdichterkolbens angeordnet.

Durch die Erfindung ist eine Freikolbenmaschine der einleitend genannten Art geschaffen, die es ermöglicht, ohne Gefahr für die wesentlichen Bauteile vergleichsweise hohe Maximaldrücke anzuwenden. Außerdem kann größere Kolbenspielzahl erhalten werden, so daß sich auch eine größere Leistung ergibt. Bei Verwendung von keramischem Material für Kolben und Zylinder wird außerdem das Gewicht der Maschine verringert, was ebenfalls zur Erhöhung der Kolbenspielzahl und damit der Leistung führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Pig. 1 ist eine Teilschnittansicht des für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teiles einer Freikolbenmaschine.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht einer Kolbenführungseinrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht einer abgewandelten Ausführung einer KoIbenführeinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 4 1st eine Teilschnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführung einer Kolbenführungseinrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 5 ist eine Teilschnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Kolbenführungseinrichtung gemäß der Erfindung.

Figuren 6 und 7 sind zwei Teilschnittansichten, anhand derer die Wirkung des Gleitgases erläutert ist. In Fig. 1 sind im wesentlichen schematisch diejenigen Teile einer mit Gleichstromspülung und im Zweitaktverfahren arbeitenden Freikolbenmaschine dargestellt, die zur Erläuterung der Erfindung notwendig aind. Frelkolbenmasohinen

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dieser allgemeinen Art sind bekannt, so daß eine detaillierte Beschreibung ihres Gesamtaufbaus und ihrer grundsätzlichen Arbeitsweise nicht notwendig erscheint.

Gemäß der Zeichnung ist ein Motorkolben 1 in einem Zylinder 2 hin- und her bewegbar angeordnet. In dem Motorzylinder 2 sind die üblichen Ladungswechselschlitze 3 gebildet, durch welche hindurch die Verbrennungsgase und Spülluft austreten und durch den Auspuff 4 zu einem nicht dargestellten Treibgassammler geführt werden.

Das hintere oder "kalte" Ende des Motorkolbens 1 ist arbeitsmäßig mit einem Verdichterkolben 5 verbunden, der in einem Zylinder 6 hin- und herverschiebbar ist. Bei Bewegung des Verdichterkolbens 5 gemäß Fig. 1 nach links wird Luft, die während des vorhergehenden Hubes des Kolbens 5 nach rechts durch im wesentlichen ringförmige Ansaugventile 7 in den Zylinder 6 gesaugt worden ist, durch einen Druckluftaustritt 8 in einen Spülluftsammler 9 gedrückt, von welchem aus sie in bekannter Weise zum richtigen Zeitpunkt in den Zylinder 2 eintritt. Der Verdichterkolben 5 führt seinen Druckhub in an sich bekannter Weise unter der Wirkung eines Luftpolsters aus, das durch Luft gebildet ist, die auf der gemäß Pig.lrechten Seite des Verdichterkolbens 5 in dem Zylinder 6 eingeschlossen ist.

Der Motorkolben 1 und der Motorzylinder 2 sind bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Material mit sehr geringer Wärmedehnung und einer maximalen Wärmedehnungszahl von etwa j50 χ 10""'/⁰C gebildet, und zwar vorzugsweise aus keramischem Material, das eine Wärmedehnungszahl im Bereich von 10 χ 10"'/°C hat und bei Betriebstemperaturen von etwa 1200 ⁰C verwendet werden kann. Für den Motorkolben 1 und den Zylinder 2 können jedoch auch ein Nickelstahl oder Chromnickelstahl wie Invarstahl oder El-Invarstahl verwendet werden. Diese Stähle haben eine geringfügig größere Wärmedehnung als Quarzglas oder keramische Werkstoffe wie Pyrooeram od. dgl.

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Um bei den auftretenden hohen Verbrennungsdrücken ein Beschädigen oder Zerstören des aus keramischem Material gebildeten Motorzylinders 2 zu verhindern, ist, wie dargestellt, ein Schrumpfmantel 2o in Form einer Metallbuchse oder Stahlbuchse um den Motorzylinder 2 herum angeordnet. DieserMantel 2o nimmt den Verbrennungsdruck auf, so daß eine Beschädigung oder Zerstörung des Motorzylinders 2 verhindert ist. Der Motorkolben 1 ist stromab bzw. außerhalb der Ladungswechselschlitze 3 durch eine besondere Führungseinrichtung Io geführt. Diese Führungseinrichtung weist gemäß Fig. 1 eine Buchse aus selbstschmierendem Material mit einer maximalen Wärmedehnungszahl von etwa 40 χ 10~'/°C, ^wie Kohlenstoff, Graphit oder Künstkohle, gegebenenfalls mit Einlagerungen von Keramikteilchen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit, auf. Zur Erhöhung der Gleitfähigkeit bzw. zur Verringerung des Gleitwiderstandes ist eine Einrichtung 11 vorgesehen, mittels welcher Druckgas durch die Führungseinrichtung Io hindurch gegen den Motorkolben! gerichtet wird. Dieses Druckgas kann entweder von einem getrennten Verdichter gelieferte Druckluft oder auch von der Maschine abgenommenes Gas sein.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist in dem Motorzylinder 2 an der Stelle, wo die Führungseinrichtung Io beginnt, eine geringe Stufe gebildet, so daß das Spiel bzw, der Spalt zwischen Kolben 1 und Zylinderwand in einem Bereich 12 vor der Führungseinrichtung Io etwas größer als in dem Bereich IJ innerhalb der Führungseinrichtung Io ist. Der Spalt im Bereich IJ der Führungseinrichtung Io ist so klein gewählt, daß direkte Berührung zwischen dem Motorkolben 1 und der Führungseinrichtung Io im wesentlichen vermieden ist. Der Spalt zwischen Motorkolben 1 und Zylinderwandung im Bereich 12 ist zwar, wie oben gesagt, etwas größer als im Bereich IJ, jedoch ist auch er so klein gewählt, daß der Kolben 1 bei Schrägstellung, die ihm innerhalb der Führungseinrichtung Io möglich ist, nicht in Berührung mit

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der Zylinderwand treten kann und daß die ,Spaltverluste Innerhalb zulässiger Grenzen liegen* Die Stufe dient weiterhin dem Zwecke vor der Führungseinrichtung Io bei eventueller geringfügiger Schrägsteilung des Motorkoltoens 1 auf dessen gesamtem Umfang unter Verbrennungsdruek stehende ■Gase zuzulassen;, um eine einseitige Druekbelastung des Motorkoltoens 1 zu verhindern, die zu einer direkten Berührung zwischen dem Motorkolben 1 und der Zylinderwand führen konnte. Außerdem kann, wenn eine solche Stufe nicht vorhanden Ist* eine direkte Berührung zwischen Motorkolben 1 und Zylinderwand 2 nicht vermieden werden;, wenn eine Fün-r jcungselnrlehtung verwendet wird,, bei der kein Gleitgas oder Druckgas verwendet wird,.

In den Flg.. 2 und j5 sind verschiedene Ausführungsforanen von Kolbenfüthrungselnrlehtungen IQa bzw. 10b dargestellt,

Gemäß FIg,. 2 weist die Führungseinrichtung eine Buchse IQa "aus selfostschmlerendem Material., wie Graphit _Λ Kunstkohle ο. :dgl.. auf, die In dem Motor zylinder 2 an dessen "kaltem" Ende angeordnet ist. Die Führungsfläche der Buchse 10a Ist, wie Insbesondere aus den FIg. 6 und 7 ersichtlich ist,, durch eine Mehrzahl von !,ängsrlppen 14 und Umfangsrippen 15 in eine Mehrzahl von Feldern unterteilt. In jedes FeIu mündet elin Durchgang 16 für Druckgas. Außerdem sind üen Feldern liegführdurchgange 1? zugeordnete Die'Wegführdurchgänge sind -ZWlsehen benachbarten Feldern gebildet, beispielsweise In Ringnuten» Der Ströinungsverlauf des Druckgases ist InFIg, 6 durch ITeile sehematiseh angedeutet,. Es ,gait wichtig;, dassdureh die Durchgänge Γβ zugeführtes Druckgas durch die Durchgänge 17 ausreichenä schnell weggefuniPt werden .kann,. %u diesem Zweck und auch aus dem Grunde _Λ daß das austretende Druckgas einen etwas geringeren Druck und damit ein größeres Volumen als das eintretende Druckgas nat, sind die Durchgänge 17 größer als die Durchgänge 16 ausgeführt. Es 1st weiteihln wichtig, daß nicht .mehr Druckgas zugeführt wird., als weggeführt werden kann.

Palls die Wegführdurchgänge 17 nicht groß genug sind, kann sich ein ernsthafter Nachteil ergeben, wenn der Motorkolben 1 durch irgendeinen äußeren Störeinfluß sich etwas aus seiner mittigen Lage schrägstellt. In einem solchen Fall wird auf einem Teil des Umfanges des Motorkolbens 1 der Abstand zu den Längsrippen 14 und Umfangsrippen 15 größer als auf einem anderen Teil des Kolbenumfanges. Durch diesen nunmehr größeren Abstand oder größeren Spalt wird die Drosselwirkung verkleinert und, wenn das Druckgas durch die Durchgänge 17 hindurch nicht schnell genug weggeführt wird, ergibt sich ein gewisser Druckstau, so daß die Druckkraft, die bestrebt ist, den Kolben in die Schrägstellung zu drücken, größer als die Druckkraft auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens ist, die das Bestreben hat, den Kolben wieder in seine mittige Lage zu drücken.

Allgemein gleitet der Motorkolben 1 im wesentlichen reibungslos auf der Gleitgasschioht im Motorzylinder 2, und., nur im Fall eines Absinkens des Gleitgasdruckes oder des Auftretens anderer betrieblicher kurzzeitig wirkender Störfaktoren findet ein vorübergehendes selbstschmierendes Gleiten des Kolbens 1 an der Führungsbuchse Io statt. Auf diese Weise kann Verschleiß an dem Motorkolben 1 und dem Zylinder 2 im wesentlichen vermieden werden.

Der Druck des durch die Durchgänge 16 eingeführten Gases soll etwas höher als der Druck der Spülluft sein. Der Unterschied des Druckes hängt von der. jeweiligen besonderen Gestaltung der Kolbenführungseinrichtung Io ab. Allgemein ist gefunden worden, daß, je höher der Spülluftdruck ist, desto größer der Unterschied zu dem Druck des Gleitgases sein soll. _;,

Die Ausführung gemäß Fig. 3 entspricht hinsichtlich, ihrer Wirkungsweise der Ausführung gemäß Fig. 2 bzw. gemäß den Fig. 6 und 7. Der Unterschied besteht darin, daß gemäß Fig. 3 das selbetschmierende Material, das vorzugsweise eine Wärmedehnungszahl von maximal 4o χ 10"^/⁰C hat, durch

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- Io -

Brennspritzverfahren auf die Zylinderwandfläche aufgebracht ist. Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist die oben beschriebene Stufe am Beginn der Führungseinrichtung 10 zum Teil durch eine etwas weiter nach innen vorstehende Fünrungsbuchse 10c und zum Teil durch eine an der Außenfläche des Kolbens 1 gebildete Gegenschulter la geschaffen. Auch bei dieser Ausführung ist das Kolbenspiel bzw. der Spalt zwischen Kolben 1 und Zylinder 2 im Bereich 12 vor der Führungseinrichtung 10 geringfügig größer als im Bereich IJ in der Führungseinrichtung.

In Fig. 5 ist eine vereinfachte Ausführung einer Führungseinrichtung dargestellt, die lediglich eine einfache aus selbstschmierendem Materialgpmäß vorstehender Beschreibung gebildete Buchse 1Od aufweist. Eine Gleitgasführung ist bei dieser Ausführung nicht vorgesehen.

Es ist in gewissen Fällen möglich, für die Führungseinrichtung kein selbstschmierendes Material zu verwenden. Eine solche Ausführung würde der Ausführung gemäß Fig. 3 entsprechen, wobei dann jedoch kein selbstschmierendes Material auf die Zylinderwand aufgebracht ist, eine Gleitgasführung jedoch vorgesehen ist.

Der Verdichterkolben 5 ist in dem Zylinder 6 auf einem axialen Zapfen 18 geführt, und zwar unter Zwischenschaltung einer Buchse 19 aus selbstschmierendem oder schmiermittelabsorbierendem Material. Wenn selbstschmierendes Material verwendet wird, kann das gleiche Material wie für die Motorkolbenführungsbuchse Io verwendet werden. Wenn schmiermittelabsorbierendes Material verwendet wird, so kann Sintermetall mit Graphitschmierung, ölgetränktes Sintermetall oder ölgetränktes Keramikmaterial verwendet werden. Um die Wärmedehnungszahl niedrig zu halten, kann Nickel - Graphit oder Chrom-Nickel-Graphit mit Invar- oder El-Invar-Teilchen verwendet werden. Mit den gleichen Bestandteilen können auch gefrittete Gleitbüohsen hergestellt werden (selbetschmierendes DEVA-Metall).

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Der Verdishterkolben 5 ist auf seiner dem Motorkolben 1 zugewandten Seite mit einer Nabe 21 versehen* die mit dem entsprechenden Ende 22 des Motorkolbens 1 .zusammenarbeitet. Wie dargestellt, ist das Ende 22 des Motorkolbens mit radialem Spiel auf der Nabe 21 des Verdichterkolbens 5 angeordnet, so daß dieser ebenfalls ringlose Kolben 3 sieh unabhängig vom Motorkolben 1 radial einstellen kann» Jedoch ist eine Verbindung zwischen dem Verdiehterkolben 5 und dem Motorkolben 1 durch Eingriff der Stirnfläche des Kolbenendes 22 mit einer am Verdichterkollaen 5 gebildeten Stirnfläche gegeben.

Koppelung zwischen Motorkolben 1 und Verdiehterkolben 5 ist durch eine vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildete Feder 25 erzielt, die an einem Ende am Motorkolben 1 und an anderen Ende am Verdichterzylinder 6 festgelegt ist» Die Feder 23 erstreckt sieh durch den hohl ausgebildeten Fiaferungszapf en lB für den Verdiehterkolben 5. Der Führungszapfen 18 ist an einem Ende mit dem Verdiehterzylinder 6 einheitlich ausgebildet bzw. auf irgendeine andere Weise mit diesem verbunden.

Zur Begrenzung der Bewegung des Verdiehterkolbens 5 gemäß Fig. 1 nach rechts ist in dem Verdiehterzylinder 6 ein vorteilhaft ringförmiges Widerlager 24 gebildet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Es sei noch "bemerkt, daß gegebenenfalls in den Verbrennungsraum in an sieh bekannter Weise Wasser, entweder getrennt oder zusammen mit dem Brennstoff eingespritzt werden kann, wenn zusätzliche Kühlung der Maschine erzielt werden soll. Mittel., mit denen eine solche Wassereinspritzung erfolgen kann, sind bekannt, und sie sind daher nicht im einzelnen beschrieben oder dargestellt.

Bei einer Freikolbenmaschine gemäß der Erfindung kann durch die besondere Ausführung eine Kolbenspiel zahl erreicht werden, die etwa das Zweifache der Kolbenspielzahl gegenwärtiger Freikolbenmasehinen beträgt» In anderen Worten aus ge-

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drückt, wird bei Verwendung der Erfindung bei einer Maschine gleicher Größe eine viel höhere Leistung erzielt. Es ist somit möglich, durch die Erfindung Freikolbenmaschinen mit vergleichsweise hoher Leistung je Maschineneinheit zu bauen. Somit können Maschinen gemäß der Erfindung für Kraftfahrzeuge und stationäre Anlagen sowie Schiffsantriebe od.dgl. verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

'Freikolbenmaschine, deren im Motorzylinder beweglicher Motorkolben mit dem im Verdichterzylinder beweglichen Verdichterkolben arbeitsmäßig verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens der Motorkolben (1) und der Motorzylinder (2) aus Material geringer Wärmedehnung gebildet sind und daß das Spiel des ringlosen Motorkolbens (1) stromab b3w. außerhalb des Verbrennungsraumes bzw. der Lad^ungswechselschlitze (3) kleiner als im Verbrennungsraum ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Verdichterzylinder (6) und der Verdichterkolben (5) aus Material geringer Wärmedehnung gebildet sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben (1, 5) und Zylinder (2,6) aus einem Material mit maximaler Wärmedehungszahl von etwa 30 χ 10"*'/°C gebildet sind.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß Kolben (1, 5) und Zylinder (2, 6) aus Quarzglas oder keramischem Material, wie Pyroceram o.dgl., gebildet sind.

5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorzylinder (2) zur Aufnahme des Verbrennungsdruckes mit einem aus Metall bestehenden Mantel (2o) versehen ist.

6. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben (1, 5) und Zylinder (2, 6) aus Invarstahl oder El-Invarstahl gebildet sind.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Motorzylinder (2) außerhalb des Verbrennungsraumes bzw. der Ladungswechselsohlitze (3) eine Kolbenführungseinrichtung (Xo) aus Material geringer Wärmedehnung vorgesehen 1st.

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8. Maschine nach Anspruch 7'» dadurch gekennzeichnet, daß die Motorkolbenführungseinrichtung (Io) aus selbstschmierendem Material mit maximaler Wärmedehnungszahl von etwa 4θ χ 10~v°C gebildet ist.

7 oder _rt

9. Maschine nach Anspruch/8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Motorkolbenführungseinrichtung (lo) aus Kohlenstoff, vorzugsweise Graphit bzw. Kunstkohle gebildet ist, wobei gegebenenfalls verschleißmindernde Keramikteilchen eingelagert sind.

10. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorkolbenführungseinrichtung (Io) die Form einer Buchse hat, die am "kalten" Ende des Motorzylinders (2) angeordnet ist,

11. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorkolbenführungseinrichtung (lob) in Form eines durch Brennspritzen oder Flammspritzen auf die Innenwand des Motorzylinders (2) aufgebrachten Überzuges aus selbstschmierendem Material gebildet ist.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorkolbenführungseinrichtung mit Mitteln (11, 16) versehen ist, durch welche aus der Führungsfläche der Motorkolbenführungseinrichtung Druckgas austreten gelassen werden kann.

15. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Druckgas aus der die Führungsfläche bildenden Zylinderinnenwand ausgeblasen wird.

14. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Druckgas aus der die Führungsfläche bildenden Innenwand aus selbstschmierendem Material ausgeblasen wird.

15. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die FUhrungsflache der Motorkolbenführungseinriohtung durch Längsstege (14) und Umfangsstege (15) in eine Mehrzahl von Feldern unterteilt ist und Jedem Feld eine oder mehrere Druckgaszufuhröffnungen (I6)

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und ein oder mehrere Druckgaswegführöffnungen (17) zugeordnet sind.

16. Maschina nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgaswegführöffnungen (17) zwischen benachbarten Feldern gebildet sind.

17. Maschine nach Anspruch 15 oder l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Druckgaszufuhröffnungen

(16) kleiner als der Querschnitt der Druckgaswegführöffnungen

(17) ist.

18. Maschine nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des zugeführten Gases höher als der Spülluftdruck der Maschine ist.

19. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis l8, dadurch gekennzeichnet, daß der ringlose Verdichterkolben (5) auf einem mit dem Verdichtergehäuse verbundenen axialen Führungszapfen (18) mittels einer Buchse (I9) aus selbstschmierendem oder schmierstoffspeicherndem Material geführt ist.

20. Maschine nach Anspruch 19., dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (19) aus Kohlenstoff, wie Graphit oder

Kunstkohle, schmierstoffgetränktem Sintermetall oder schmierkeramischen
stoffgetränktem/oder gefrittetem Material gebildet ist.

21. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß zum Inberührunghalten des Motorkolbens (1) und des Verdichterkolbens (5) im Anlaßzustand der Maschine eine Feder (2J) vorgesehen ist, die an einem Ende in dem hohl ausgebildeten Motorkolben (1) und an ihrem anderen Ende an dem Verdichtergehäuse befestigt ist.

22. Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Schraubenfeder (23) ist und durch den hohl ausgebildeten Verdichterkolbentragzapfen (18) hindurchgeführt ist.

23. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterkolben (5) auf seiner dem Motorkolben (1) zugewandten Seite mit einer

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Nabe (21) versehen Ist, an der das entsprechende Ende (22) des Motorkorbens (1) mit radialem Spiel angeordnet ist. . .. . -

24. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2J₃ dadurch gekennzeichnet, daß Im Verdichterzylinder (6) eine Anschlageinrichtung (24) "vorgesehen ist, welche die Axial» bewegung von Motorkolben/und Verdichterkolben (5) unter der Wirkung der Feder (23) begrenzt.

25. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24* gekennzeichnet durch eine Einrichtung;» durch welche Wasser in den Verbrennungsraum eingespritzt werden kann.

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