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DE19738375A1 - Two-stroke piston engine-driven linear current generator - Google Patents

Two-stroke piston engine-driven linear current generator

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DE19738375A1 DE1997138375 DE19738375A DE19738375A1 DE 19738375 A1 DE19738375 A1 DE 19738375A1 DE 1997138375 DE1997138375 DE 1997138375 DE 19738375 A DE19738375 A DE 19738375A DE 19738375 A1 DE19738375 A1 DE 19738375A1
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Abstract

The generator has two non-separably coupled pistons whose reciprocal mechanical motion occurs in two opposed combustion chambers (13) in which combustion processes occur cyclically in succession and kinetic energy is converted into electrical energy. Cylinder filling occurs via continuous pistons whose top faces the combustion chamber and whose larger base faces a pre-compression chamber (12) in which the induced combustion air is pre-compressed and which has inlet and outlet membrane valves for controlling the air motion direction

Description

Bekannt ist das Verfahren für die Stromerzeugung aus einer linearen, hin- und hergehenden Bewegung, hervorgerufen durch ein Kolbensystem, bei dem zwei miteinander gekoppelte Kolben zwischen zwei sich gegenüberliegenden Brennräumen hin -und herschwingen (DE 39 13 806 A (EP 0 120 986 A1).The method for power generation from a linear, back and forth is known movement resulting from a piston system in which two pistons coupled to each other between two opposing combustion chambers swing back and forth (DE 39 13 806 A (EP 0 120 986 A1).

Bei allen mir bekannten Verfahren werden zu geringe Schwingungsfrequenzen erreicht, was vor allem an der ungenügenden Zylinderbefüllung und Zylinderspülung liegt. Im Besonderen wird der Systemschmierung zu wenig Beachtung geschenkt, obwohl gerade dieser Punkt das größte Problem der Zweitakttechnologie darstellt.In all methods known to me, vibration frequencies which are too low are achieved, which is mainly due to insufficient cylinder filling and cylinder flushing. In particular, too little attention is paid to system lubrication, though This is the biggest problem with two-stroke technology.

Diese beiden Probleme werden durch die Patentansprüche 1 bis 4 gelöst. Die Zylinderbefüllung wird dadurch verbessert, indem die Verbrennungsluft bereits vorverdichtet und somit beschleunigt und unter Druck in die Brennkammern strömt und somit auch die Zylinderspülung unterstützt.These two problems are solved by claims 1 to 4. The cylinder filling is improved by the fact that the combustion air already pre-compressed and thus accelerated and flows under pressure into the combustion chambers and thus also supports the cylinder flushing.

Erreicht wird dies mit der Verwendung von zwei Stufenkolben, deren der Brenn­ kammern abgewandten Seiten einen größeren Durchmesser besitzen als die der Brenn­ kammern zugewandten Seiten, und somit den Brennkammern mehr Verbrennungs­ luft zugeführt wird als ihr Volumen beträgt.This is achieved with the use of two stepped pistons, the combustion of which sides facing away from the chambers have a larger diameter than that of the burner chamber facing sides, and thus the combustion chambers more combustion air is supplied as its volume.

Die Schmierung des Freikolbenmotors erfolgt nicht wie bei anderen Zweitaktmotoren über die Verbrennungsluft, ist also somit keine Verlustschmierung.The free-piston engine is not lubricated like other two-stroke engines via the combustion air, so there is no loss lubrication.

Der Vorgang der Zylinderbefüllung und -spülung im Einzelnen:
Die Verbrennungsluft (8) wird von den Stufenkolben (1) (Patentanspruch 1) in die Vorverdichtungskammern (12) angesaugt, während sie sich in Richtung Brennkammern (13) bewegen. Die Strömungsrichtung wird mittels jeweils einem einlaßseitigem (4) und einem auslaßseitigem (5) Membranventil bestimmt.The process of cylinder filling and flushing in detail:
The combustion air ( 8 ) is sucked into the precompression chambers ( 12 ) by the step pistons ( 1 ) (claim 1) while they are moving in the direction of the combustion chambers ( 13 ). The direction of flow is determined by means of an inlet-side ( 4 ) and an outlet-side ( 5 ) membrane valve.

Die Verbrennungsluft wird in die jeweils einen oder mehreren Überströmkanäle (16) pro Zylinderseite geleitet, die durch ihr bestimmtes Volumen zugleich einen Druck­ speicher darstellen (Patentanspruch 2). Die hier verdichtete Luft kann erst in die Brennkammern strömen, wenn der Einlaßschlitz (17) von dem sich in Richtung Vorverdichtungskammer bewegenden Stufenkolben freigegeben wird.The combustion air is conducted into the one or more overflow channels ( 16 ) per cylinder side, which at the same time represent a pressure accumulator due to their specific volume (claim 2). The air compressed here can only flow into the combustion chambers when the inlet slot ( 17 ) is released by the stepped piston moving in the direction of the precompression chamber.

In diesem Augenblick treten die Abgase (10) über die Auslaßöffnung (18) aus dem Brennraum aus und die Frischgase ein (Zweitaktverfahren).At this moment, the exhaust gases ( 10 ) exit the combustion chamber via the outlet opening ( 18 ) and the fresh gases enter (two-stroke process).

Nachdem der Stufenkolben durch die Bewegung in die Gegenrichtung die Ein- und Auslaßöffnungen verschlossen hat, werden beim Verdichtungsvorgang der Ver­ brennungsluft im Brennraum der Kraftstoff über ein elektromagnetisches Ventil (6) direkt eingespritzt (Patentanspruch 4). Die Verdichtungsleistung wird dabei von dem gegenüberliegenden Stufenkolben über eine Verbindungsstange erbracht. Nachdem das Luft-Kraftstoffgemisch -beim Benzinbetrieb durch die Zündkerze (7) oder beim Dieselbetrieb durch Selbstentzündung aufgrund der hohen Verdichtung- gezündet wird, expandiert das Verbrennungsgas und drückt den Stufenkolben wieder in Richtung Vor­ verdichtungskammer, wo wiederum die Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Außerdem treibt er den gegenüberliegenden Stufenkolben an, der Vorgang beginnt erneut.After the stepped piston has closed the inlet and outlet openings by the movement in the opposite direction, the fuel is injected directly via an electromagnetic valve ( 6 ) during the compression process of the combustion air in the combustion chamber (claim 4). The compression performance is provided by the opposite step piston via a connecting rod. After the air-fuel mixture is ignited by the spark plug ( 7 ) in gasoline operation or by self-ignition due to the high compression in diesel operation, the combustion gas expands and pushes the stepped piston back towards the pre-compression chamber, where the combustion air is again pre-compressed. He also drives the opposite piston, the process begins again.

Der Vorgang der Systemschmierung im Einzelnen (Patentanspruch 3):
Die Luft in dem verbleibenden Räumen (22) zwischen der Brennkammern und Vorverdichtungszylindern wird bei der Bewegung des Stufenkolbens zum Brennraum über Verbindungskanäle zu demselbigem Raum auf der gegenüberliegenden Stufenkolben-Zylinderkombination verdrängt. Bei umgekehrter Bewegung der Kolben strömt die Luft wieder zurück.The process of system lubrication in detail (claim 3):
The air in the remaining spaces ( 22 ) between the combustion chambers and precompression cylinders is displaced when the stepped piston moves to the combustion chamber via connecting channels to the same space on the opposite stepped piston and cylinder combination. When the pistons move in reverse, the air flows back again.

Es werden mindestens zwei Verbindungskanäle angeordnet, wobei sich in einem der oberseitigen Verbindungskanäle (15) Düsen (16) befinden, die in den oszillierenden Luftstrom oder direkt in den o.g. Räumen Schmierstoff einspritzen.At least two connecting channels are arranged, nozzles ( 16 ) being located in one of the upper connecting channels ( 15 ) and injecting lubricant into the oscillating air stream or directly into the above-mentioned spaces.

Ein unterseitiger Verbindungskanal (9) wird dazu benutzt, um das abfließende Schmier­ mittel zu einem Pumpensumpf (14) zu führen, wo durch eine Pumpe und den Versorgungsleitungen zu den Schmiermitteleinspritzdüsen ein Ölkreislauf gegeben ist.An underside connecting channel ( 9 ) is used to guide the flowing lubricant to a pump sump ( 14 ), where an oil circuit is provided by a pump and the supply lines to the lubricant injection nozzles.

Für die exakte Steuerung des Zündzeitpunktes (nur bei Benzinbetrieb) und des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes ist das Bestimmen der genauen Lage des Kolbensystems zu jedem Zeitpunkt notwendig.For the exact control of the ignition timing (only with petrol operation) and the Fuel injection time is the determination of the exact position of the piston system necessary at all times.

Dafür ist eine elektrooptische Messungsanordnung (Patentanspruch 5) angebracht, die zur Distanzmessung moduliertes Licht verwendet.For this, an electro-optical measurement arrangement (claim 5) is attached, the modulated light used for distance measurement.

Der Meßstrahl (21) wird aus einem Sender über ein Spiegelsystem (20) zur Kolbenverbindungsstange bzw. zum dem mit ihr fest verbundenen Anker (2), der die Spule (3) durchkreuzt geleitet. Über die Phasendifferenz des Referenzsignals und des Signal des in den Empfängers zurückgeführten Lichtstrahls kann die genaue Kolbenposition errechnet werden.The measuring beam ( 21 ) is transmitted from a transmitter via a mirror system ( 20 ) to the piston connecting rod or to the armature ( 2 ) which is firmly connected to it and which crosses the coil ( 3 ). The exact piston position can be calculated via the phase difference of the reference signal and the signal of the light beam returned to the receiver.

Die gewonnen Daten der Messung werden an ein Steuergerät weitergegeben. Das Steuergerät bestimmt den Zündzeitpunkt, den Einspritzzeitpunkt und -Menge, die Spannung der Erregerspulen sowie das Umschalten von Motorbetrieb (für den Start­ vorgang) zum Generatorbetrieb und umgekehrt.The measurement data obtained are passed on to a control unit. The control unit determines the ignition timing, the injection timing and quantity, the Voltage of the excitation coils as well as switching from motor operation (for the start process) for generator operation and vice versa.

Bei dem nach o.g. Patentansprüchen konstruierten zweitaktfreikolbenmotorbetriebenen Linearstromgenerator würden sich folgende Vorteile gegenüber bestehenden Otto- und Dieselmotorbetriebenen Stromgeneratoren herkömmlicher Bauart ergeben:
The two-stroke free-piston motor-operated linear current generator constructed according to the above patent claims would have the following advantages over existing gasoline and diesel motor-operated current generators of conventional design:

  • - sehr guter Spüleffekt der Brennkammern durch die Zuführung von vorverdichteter Verbrennungsluft- Very good purging effect of the combustion chambers by adding pre-compressed combustion air
  • - keine Verlustschmierung- no loss lubrication
  • - durch Kraftstoffdirekteinspritzung und den nicht vorhandenen Schmieröl in der Verbrennungsluft ergeben sich in Verbindung mit einem Dreiwegekatalysator (Benzinbetrieb), oder Oxidationskatalysator (Dieselbetrieb) sehr gute Abgaswerte - through direct fuel injection and the lack of lubricating oil in the Combustion air results in connection with a three-way catalytic converter (Petrol operation), or oxidation catalyst (diesel operation) very good Emission values  
  • - keine Umwandlung von linearen Bewegungen in Drehbewegungen, dadurch geringerer Verbrauch- therefore no conversion of linear movements into rotary movements lower consumption
  • - Zweitaktverfahren ohne Spülverluste, dadurch geringerer Verbrauch- Two-stroke process without flushing losses, thereby lower consumption
  • - keine viertaktüblichen Ein- und Auslaßventile, kein Ventiltrieb notwendig, dadurch weniger Reibungsverluste- no four-stroke intake and exhaust valves, no valve train necessary, therefore less friction losses
  • - keine Kurbelwelle und deren Kugel- oder Walzenlager notwendig- No crankshaft and their ball or roller bearings necessary
  • - keine drehbaren Dichtungen der Antriebswellen notwendig- no rotatable seals of the drive shafts necessary
  • - sehr wenige bewegliche Teile- very few moving parts
  • - Motor- und Generatorteil sind in einem gemeinsamen, leicht zu fertigendem Gehäuse vereint- Motor and generator parts are in one, easy to manufacture Housing united
  • - dadurch geringes Gewicht, kleine Abmessungen und sehr günstige Produktionskosten.- thereby light weight, small dimensions and very cheap Production costs.

Durch die o.g. Vorteile ergibt sich ein leichtes, kompaktes, günstig herzustellendes und energiesparendes Stromerzeugungssystem, das für verschiedene Einsatzgebiete hervorragend geeignet wäre.Through the above The advantages are a light, compact, inexpensive to manufacture and Energy-saving power generation system that for different areas of application would be excellent.

Diese wären z. B. der Einsatz in Hybridfahrzeugen, wo das System den Akkumulator versorgt.These would be e.g. B. use in hybrid vehicles, where the system uses the battery provided.

Diesem genügte eine geringere Kapazität und somit ein geringeres Gewicht und Dimensionen, weil er nach der Entladung vom System während der Fahrt nachgeladen wird. Der Akku muß dadurch nur als Pufferspeicher und zur Bewältigung von Kurzstrecken oder Stadtverkehrsabschnitten ausgelegt werden.A lower capacity and thus a lower weight and was sufficient for this Dimensions because it is reloaded by the system after unloading while driving becomes. The battery only needs to be used as a buffer and to cope with Short distances or urban traffic sections can be designed.

Einsatz in Blockheizkraftwerken, vor allem durch die o.g. Vorteile auch in kleineren Anlagen wie z. B. in Einfamilienhäusern.Use in combined heat and power plants, especially by the above Advantages even in smaller ones Plants such as B. in single-family houses.

Einsatz als mobile Stromerzeuger wie Baustellen- Stromaggregate usw., und stationäre Stromerzeuger wie Notstromerzeuger usw.Use as mobile power generators such as construction site generators etc., and stationary Generators such as emergency generators, etc.

Claims (5)

1. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator für die Stromerzeugung einem zyklischen Verbrennungsprozeß, bei dem mechanische, geradlinige hin- und hergehende Bewegungen eines aus zwei nicht trennbar gekoppelten Kolben in zwei gegenüberliegenden Brennkammern hervorgerufen werden, wobei in den Brennkammern zeitlich aufeinanderfolgend und sich zyklisch wiederholend ein durch einen elektrischen Funken eingeleiteter, oder durch Selbstentzündung aufgrund der entsprechenden Verdichtung entstehender Brennvorgang abläuft, und die kinetische Energie der hin- und hergehenden Bewegungen der beweglichen Teile in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbefüllungen durch einen je Zylinderseite befindlichen Stufenkolben erfolgt, dessen Oberseite den Brennkammern und dessen größer dimensionierte Unterseite einem Vorverdichtungszylinder zugewiesen ist, in dem die angesaugte Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Dieser Vorverdichtungszylinder besitzt ein- und auslaßseitig jeweils ein Membranventil zur Steuerung der Luftbewegungsrichtung.1. Two-stroke free-piston engine-operated linear current generator for the production of a cyclical combustion process, in which mechanical, linear reciprocating movements of a piston consisting of two inseparably coupled pistons are caused in two opposite combustion chambers, the combustion chambers being successive and cyclically repeated by an electrical spark initiated, or due to self-ignition due to the corresponding compression combustion process takes place, and the kinetic energy of the reciprocating movements of the moving parts is converted into electrical energy, characterized in that the cylinder filling is carried out by a step piston located on each cylinder side, the top of which the combustion chambers and whose larger underside is assigned to a precompression cylinder in which the intake combustion air is precompressed. This precompression cylinder has a diaphragm valve on the inlet and outlet sides for controlling the direction of air movement. 2. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Vorverdichtungszylinder vorver­ dichtete Verbrennungsluft durch Überströmkanäle, die durch ihre Dimensionierung zugleich als Druckspeicher dienen, in den jeweiligen Brennraum gelangt und diesen durch den erhöhten Druck effektiv spült, sobald die Brennraumzylinder-Einlaßöffnung durch die Oberseite des Stufenkolbens freigegeben wird.2. Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator according to claim 1, characterized in that the precompression in the precompression cylinder sealed combustion air through overflow channels by their dimensioning also serve as a pressure accumulator, get into the respective combustion chamber and this effectively flushes through the increased pressure as soon as the combustion chamber cylinder inlet opening is released through the top of the step piston. 3. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende Raum zwischen dem Arbeitszylinder, der den Brennraum enthält, und dem Vorverdichtungszylinder zur Schmierung des Systems dient, wobei die Be- und Entlüftungsöffnungen dieses Raumes oberseitig und unterseitig miteinander verbunden sind, und sich in der oberseitigen Verbindung oder direkt in dem oben genannten verbleibenden Raum Schmierstoffeinspritzungen befinden, die von dem in der unterseitigen Verbindung befindlichen Pumpensumpf mittels einer Schmierstoffpumpe versorgt wird.3. Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator according to claim 1, characterized in that the remaining space between the Working cylinder, which contains the combustion chamber, and the precompression cylinder for Lubrication of the system is used, the ventilation openings of this room are connected on the top and bottom, and in the top Connection or directly in the above remaining room Lubricant injections are located in the underside connection located pump sump is supplied by a lubricant pump. 4. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer jeweils über ein elektromagnetisches Direkteinspritzungsventil erfolgt. 4. Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator according to claim 1, characterized in that the fuel supply to the combustion chamber in each case via an electromagnetic direct injection valve.   5. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Kolbenpositionen durch eine elektrooptische Messungsanordnung (Phasendifferenzmessung modulierten Lichtes) ermittelt werden, und an eine Motor- und Generator-Steuerungselektronik weitergegeben wird.5. Two-stroke free-piston motor-operated linear current generator according to claim 1, characterized in that the respective piston positions by a electro-optical measurement arrangement (phase difference measurement of modulated light) be determined, and to a motor and generator control electronics is passed on.
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