DE1950769C2

DE1950769C2 - Freikolben-Brennkraftmaschine zum kurbelwellenlosen Antrieb einer Pumpe

Info

Publication number: DE1950769C2
Application number: DE1950769A
Authority: DE
Inventors: Theodorus Gerhardus Berkhout Potma
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-10-08
Filing date: 1969-10-08
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE1950769A1; NL160632C; NL6814405A; NL160632B; US3606591A

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Brennkraftmaschine zum kurbelwellenlosen Antrieb einer Pumpe mit einem Arbeitskolben und einem damit verbundenen Rückführkolben, die in zugeordneten Zylindern arbeiten, wobei der Kompressionshub des Arbeitskolbens unter der Wirkung eines Druckmittels erfolgt, das aus einem Druckbehälter durch eine Verbindungsleitung über einen Frequenzregler in Form eines Regelschiebers in den Zylinder des Rückführkolbens einführbar ist.

Allgemein wird von derartigen Brennkraftmaschinen eine innerhalb weiter Grenzen veränderbare Leistung verlangt, die beispielsweise von den Schwankungen zwischen Null-Last und Voll-Lasl beim Antrieb eines Hydromotors durch das Druckmedium abhängt.

Bei einer bekannten Brennkraftmaschine (DE-PS 44 227) wird das dem Kompressionshub bewirkende Druckmittel aus dem Druckbehälter über einen Schieber in den Zylinder des Rückführkolbens geleitet. Der Schieber wird von einem Kolben gesteuert, der einerseits unter dem Arbeitsdruck des Zylinders des Rückführkolbens und andererseits unmittelbar unter dem Druck des Druckbehälters sowie einer Feder steht. Bei vorgegebener konstruktiver Ausbildung arbeitet dementsprechend die Brennkraftmaschine mit einer Frequenz, die von Enddruck im Zylinderrauni des Arbeitskolbens abhängt. Eine Veränderung der abgegebenen Leistung ist nur durch Änderung der dem Arbeitsraum des Arbeitskolbens zugeführten Brennstoffmenge oder dadurch möglich, daß der Schieber zusätzlich über ein Getriebe, z. B. über Nocken gesteuert wird. Die letztere Möglichkeit bedeutet aber eine zusätzliche konstruktive Anpassung zum Erreichen einer anderen Leistungskennlinie. Das ist aufwendig. — Ähnliches gilt auch für andere Ausführungsformen von Brennkraftmaschinen, bei denen die Steuerung des Kompressionshubes über mechanische Gestänge und von diesen betätigte Schieber oder dergleichen erfolgt (GB-PS 8 74 009).

ίο Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Freikolben-Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, bei der die Frequenz innerhalb eines sehr weiten Bereichs variiert werden kann, und zwar bei praktisch konstantem Enddruck des benutzten Druckmediums.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Regelschieber durch seine Einstellung die zu Beginn des Rückführhubes des Rückführkolbens dem Rückführzylinder zugeführte Druckmittelmenge begrenzt und daß zwischen dem Druckbehälter und dem Rückführzylinder noch eine weitere Leitung vorgesehen ist, deren in der Zylinderseitenwand angeordnete Mündung im Zylinder auf einem Abstand vom freien Ende des Rückführkolbens am Anfang des Rückführhubes liegt und durch den plungerartigen Rückführkolben über den ersten Teil des Rückführhubes verschlossen ist

Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung des Kompressionshubes unter Verzicht auf mechanisch bewegte Teile ausschließlich durch Einstellung oder Regelung der dem Zylinder des Rückführkolbens zugeführten Druckmittelmengu. Es genügt im Prinzip ein einfacher Regelschieber. Die dem Zylinder des Rückführkolbens zugeführte Druckmittelmenge wird aber nur während der Anfangsphase des Kompressionshubes gesteuert, und zwar so lange, bis der plungerartige Rückführkolben die Mündung der weiteren Leitung zwischen Druckbehälter und Zylinder freigibt und das Druckmittel ohne Drosselung in den Zylinder des Rückführkolbens strömen kann. Dann steht in der Endphase des Kompressionshubes praktisch die volle Druckleistung zur Verfügung. Auf diese Weise läßt sich die Arbeitsfrequenz innerhalb sehr weiter Grenzen mittels einer sehr einfachen Konstruktion regeln. — Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß beim Abstellen der Brennkraftmaschine durch vollständiges Absperren des Regelschiebers der Rückführkolben und der Arbeitskolben stets in der gleichen unteren Endlage zur Ruhe kommt, so daß die Brennkraftmaschine ohne äußere Hilfsmittel durch einfaches öffnen des Regelschiebeis wieder gestartet werden kann.

Insbesondere kann an dem an der Druckseite des Rückführkolbens gelegenen Ende des Rückführzylinders außerdem eine zu einem Druckbehälter führende Auslaßleitung mit einem Rückschlagventil angeschlossen sein, das zu diesem Druckbehälter hin öffnet. Ferner kann die Verbindungsleitung ein Rückschlagventil aufweisen, das zum Rückführzylinder hin öffnet.

Allen diesen Ausführungen ist die den Zufluß des Druckmediums zum Zylinder des Rückführkolbens einstellende Einrichtung für die Zeitspanne vom Ende des Expansionshubes bis zu dem Augenblick gemeinsam, in welchem der Rückführkolben den ersten Teil des folgenden Kompressionshubes zurückgelegt hat. Auf diese Weise läßt sich während des ersten Teils der RUckführbewegung der Kolben die Geschwindigkeit der Kolben von einem Maximalwert bis auf Null einstellen, während die verbleibende Weglänge des Rückführkolbens ausreicht, um ihm auf diesem Wege

die erforderliche kinetische Energie zu erteilen, durch welche der Brennstoff während diesen letzten Teils des Kompressionshubes auf den gewünschten Kompressionsenddruck komprimiert werden muß.

Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführung, und

Fig.2 eine schematische Darstellung einer demgegenüber stark vereinfachten Ausführung, durch welche sich weitere Vorteile ergeben.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Zylinder 1 des Verbrennungsmotors ein plungerförmiger Motorkolben 2 frei hin- und herbewegbar. Dieser Kolben 2 trägt am unteren Ende einen Kolben 3, welcher sich im Spülluft-Kompressorzylinder 4 hin- und herbewegt In der Spülluft-Ansaugleitung dieses Zylinders 4 ist in an sich bekannter Weise ein Ansaugventil 4a angeordnet, und vom Spülluft-Kompressorzylinder 4 führt die Spül'.uftleitung 5 zum Arbeitszylinder 1 des Verbrennungsmotors. Die Auspuffleitung dieses Verbrennungsmotors ist durch die Leitung 6 angedeutet. Mit dem Kolben 3 ist ein Plungerkolben 7 verbunden, welcher den Pumpenkolben in einem Pumpenzylinder 8 bildet und das zu fördernde Druckmedium von einem Behälter 9 über ein Rückschlagventil 10 ansaugt und über ein anderes Rückschlagventil 12 in einen hydraulischen Druckbehäl ter 11 pumpt. Seitens dieses Druckbehälters können hydraulische Einrichtungen wie beispielsweise ein Hydromotor angetrieben werden, wobei diese Einrichtungen sowie die Rückstromleitungen für das Druckmedium nicht dargestellt sind.

Der Plungerkolben 7 trägt am unteren Ende einen weiteren Plungerkolben 13, der in einem Zylinder 14 hin- und herbewegbar ist und als Rückführkolben für den Kolben 3 des Spülluft-Kompressors und dadurch auch des Arbeitskolbens 2 des Verbrennungsmotors nach dessen Expansionshub dient. Das Druckmedium zur Bedienung des Plungerkolbens 13 wird einem Druckmittelbehälter 15 entnommen, welcher eine in der Figur nur schematisch angedeutete Druckmembrane 16 aufweist

Die erfindungsgemäß die Frequenzregelung ermöglichende Einstelleinrichtung ist in der Verbindungsleitung 17 zwischen dem Druckbehälter 15 und dem Außenende des Rückführzylinders 14 ausgebildet und besteht aus einem einstellbaren Schieber 18, der infolgedessen auch als Frequenzregelschirber bezeichnet werden kann. Eine Regelung wäre nun in der Weise denkbar, daß dieser Schieber 18 während des Expansionshubes des Kolbens 2 geöffnet wird, so daß der Rückführkolben 13 das Druckmedium aus dem Zylinder 14 in den Druckbehälter )5 preßt, daß im Anschluß daran während des Beginns des Rückführhubes der Schieber etwas geschlossen wird, um die Zeitspanne für den ersten Teil des Rückführhubes bzw. des Kompressionshubes des Kolbens 2 einzustellen, und daß der Schieber im Anschluß daran wieder voll geöffnet wird, um dem «) Kolben 2 die für das Ende seines Kompressionshubes erforderliche kinetische Energie zu übermitteln. Bei dem dargestellten Ausführungibeispiel ist dies jedoch stark vereinfacht, indem vom Druckbehälter 15 aus eine Hauptleitung 19 zum Rückführzylinder 14 ausgebildet « ist und in einer Einlaßöffnung 'JO in diesen Zylinder 14 einmündet. Diese öffnung 20 wird während der ersten Wegstrecke des Kompressionshubes vom Plungerkolben 13 verschlossen und erst im Anschluß daran von ihm freigegeben, so daß erst dann der volle Druck des ini Druckbehälter 15 befindlichen Druckmediums den Kolben 13 und damit den Arbeitskolben 2 des Verbrennungsmotors beaufschlagen kann. Der Frequenzregelschieber 18 bestimmt infolgedessen den Antrieb des Rückführkolbens 13, während des ersten Teiles des Kompressionshubes, bevor die Zuflußöffnung

20 freigegeben wird. Dieser erste Teil des vom Kolben zurückzulegenden Weges vom Pufferstand aus ist in F i g. 1 durch das Bezugszeichen e dargestellt

Um zu vermeiden, daß man während des Expansionshubes den Regelschieber 18 noch wieder öffnen muß, um das Druckmedium ohne zu großen Widerstand in den Druckbehälter 15 zurückzubefördern, nachdem der Plungerkolben die Öffnung 20 verschlossen hat, ist an der Druckseite des Rückführkolbens 13, d.h. am Außenende des Zylinders 14, außerdem noch eine Auslaßleitung 21 mit einem Rückschlagventil 21a zum Druckmittelbehälter 15 vorgesehen.

Durch die auf diese Weise ,rzielbarc einfache Regelmöglichkeit der Hubzahl pio Zeiteinheit der Verbrennungsmotorpumpe wird niemals mehr Druckmittel gefördert als benötigt wird, so daß der Wirkungsgrad über den gesamten LeistungsDereich unbedingt konstant bleibt

Die in ihren Grundzügen anhand der F i g. 1 erläuterte Erfindung läßt sich wesentlich vereinfachen, wie dies anhand der in F i g. 2 dargestellten Ausführung erläutert werden soll.

Bei dieser Ausführung sind die Zylinder 8 und 14 der Fig. 1 zu einem Hilfszylinder 24 mit einem Plungerkolben 25 zusammengefaßt, welcher sowohl den Rückführkolben wie den Pumpenkolben bildet. Auch bei dieser Ausbildung sind die Verbindungsleitung 17 mit dem Regelschieber 18 aus Fig. 1 sowie die Hauptverbindungsleitung 19 iür die Rückführung des Plungerkolbens 25 vorgesehen. Es ist jedoch in der Verbindungsleitung 17 ein Rückschlagventil 26a und in der t'auplleitung 19 ein Rückschlagventil 26 vorgesehen, wodurch verhindert wird, daß während des Expansionshubes des Kolbens 2, d. h. also während des Pumphubes des Plungerkolbens 25 das Druckmittel über die Leitungen 19 und 17 in den Druckbehälter 22 zunickgedrückt werden kann. An den Rückführ- bzw. Pumpenzylinder 24 ist bei einem Ausführungsbeispiel eine Auslaßleitung

21 mit einem Rückschlagventil 21a angeschlossen. welche zu einem Druckbehälter 23 führt, in den infolgedessen das während des Kompressionshubes aus dem Behälter 22 in den Zylinder 24 geförderte Druckmittel gepumpt wird. Das Druckmittel treibt von diesem Druckbehälter 23 aus die anzutreibende Einrichtung an, von wslcher das Druckmittel über eine nid'i tiargestellte Rückstromleitung dem Druckbehälter

22 wieder zufließt. Normalerweise muß daher der Druck im Druckbehälte« 23 ständig höher sein als der Druck im Druckbehälter 22.

Die erfindungsgemäße vorstehend beschriebene Ausführung bietet jedoch auch gewisse Vorteile beim Starten und Anhalten der Anlage. Bei den bisher üblichen Motorkompressoren läßt sich die Maschine dadurch anhalten, daß die Brennstoffzufuhr unterbunden oder die Verbindung mit dem Rückstrombehältcr unterbrochen wird. Dabei kann der Kolben der Maschine an irgendeiner Stelle zum Stillstand kommen. Meistens muß infolgedessen der Kolben von Hand in die Ausgangsposition gedrückt werden, bevor mittels einer besonderen Starteinrichtung die Maschine angelassen

werden kann. Durch die erfindungsgemäße Verbrennungsmotorpumpe ist das Startverfahren sehr einfach, da die Maschine durch Schließen des Regelschiebers 18 stets in derselben Endlage angehalten wird, aus welcher sie durch erneutes Öffnen des Regelschiebers wieder gestartet werden kann.

Die den Zufluß Jes Druckmediums einstellende Einrichtung läßt sich jedoch auch ohne Veränderung des Grundprinzips der Erfindung abwandeln, indem beispielsweise das Druckmittel nach beendetem Expansionshub erst nach Ablauf einer regelbaren Zeitspanne

zugeführt wird. Andererseits kann man auch in einer Überlaufleitung, welche die Zylinderräume vor und hinter dem Rückführkolben miteinander verbindet, einen Regelschieber einsetzen, wobei der Hauptzufluß des Druckmediums für die Rückführung des Kolbens ständig geöffnet ist, dieser Druckanstieg jedoch nur wirksam werden kann, wenn der Gegendruck auf den Kolben mit Hilfe des genannten Regelschiebers aufgehoben wird. In diesem Falle sollte die Kolbenoberfläche an der »Hinterseite« des Kolbens kleiner sein als die an der »Vorderseite«.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Freikolben-Brennkraftmaschine zum kurbelwellenlosen Antrieb einer Pumpe mit einem Arbeitskolben und einem damit verbundenen Rückführkolben, die in zugeordneten Zylindern arbeiten, wobei der Kompressionshub des Arbeitskolbens unter der Wirkung eines Druckmittels erfolgt, das aus einem Druckbehälter durch eine Verbindungsleitung über einen Frequenzregler in Form eines Regelschiebers in den Zylinder des Rückführkolbens einführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelschieber (18) durch seine Einstellung die zu Beginn des Rückführhubes des Rückführkolbens (13, 25) dem Rückführzylinder (14,24) zugeführte Druckmittelmenge begrenzt und daß zwischen dem Druckbehälter (15, 22) und dem Rückführzylinder (14, 24) noch eine weitere Leitung (19) vorgesehen ist, deren in der Zylinderseitenwand angeordnete Mündung (20) im Zylinder (14,24) auf einem Abstand (e) vom freien Ende des Rückführkolbens (13,25) am Anfang des Rückführhubes liegt und durch den plungerartigen Rückführkolben (13,25) über den ersten Teil des Rückführhubes verschlossen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem an der Druckseite des Rückführkolbens (25) gelegenen Ende des Rückführzylinders (24) außerdem eine zu einem Druckbehälter (23) führende Auslaßleitung (21) mit einem Rückschlagventil (21a,/ angeschlossen ist, das zum Druckbehälter (23) hin öffnet.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diι Verb; .dungsleitung (17) ein Rückschlagventil (26a) aufweist, das zum Rückführzylinder (24) hin öffnet