DE19738375C2

DE19738375C2 - Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator

Info

Publication number: DE19738375C2
Application number: DE1997138375
Authority: DE
Inventors: Toni Sutor
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1997-09-03
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: DE19738375A1

Description

Bekannt ist das Verfahren für die Stromerzeugung aus einer linearen, hin- und hergehenden Bewegung, hervorgerufen durch ein Kolbensystem, bei dem zwei starr miteinander verbundene Kolben zwischen zwei sich gegenüberliegenden Brennräumen hin -und herschwingen, vgl. bspw. DE 39 13 806 A, EP 0 120 986 A1, DE 44 26 552 A1.

Das Problem bei den bekannten Freikolbensystemen sind die zu geringen Schwingungs frequenzen, was vor allem an der schlechten Zylinderbefüllung und Zylinderspülung liegt. Ausserdem arbeiten die bekannten Zweitaktfreikolbenmotoren mit einer Verlustschmierung, obwohl gerade dieser Punkt in Anbetracht der Emissionen das größte Problem der gesamten Zweitakttechnologie darstellt.

Diese beiden Probleme werden durch die in Patentanspruch 1 genannten Merkmale 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.

Erreicht wird dies mit der Verwendung von zwei Stufenkolben, deren der Brennkammern abgewandten Seiten einen größeren Durchmesser und somit eine größere Querschnittsfläche besitzen als die Querschnittsfläche der Brennkammern zugewandten Seiten.

Dadurch wird beim Hub des Stufenkolbens den Brennkammern mehr Verbrennungsluft zugeführt wird als ihr Volumen beträgt.

Die Schmierung der Stufenkolben erfolgt nicht wie bei anderen Zweitaktfreikolbenmotoren über die Verbrennungsluft, sondern über das Restvolumen (22) der jeweiligen Stufenkolben. Das Restvolumen (22) ergibt sich hinter dem größer dimensionierten Teil des Stufenkolbens. Dadurch kommt das Schmiermittel nicht mit der Verbrennungsluft in Berührung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine bessere Zylinderspülung und -befüllung erreicht wird und ein Verlustschmierung vermieden wird.

Der Vorgang der Zylinderbefüllung und -spülung im Einzelnen:

Die Verbrennungsluft (8) wird von den Stufenkolben (1) in die Vorverdichtungskammern (12) angesaugt, während sie sich in Richtung Brennkammern (13) bewegen. Die Strömungsrichtung ergibt sich durch jeweils einem einlaßseitigem (4) und einem auslaßseitigem (5) Ventil an den Vorverdichtungskammern.

Die Verbrennungsluft wird in die jeweils einen oder mehreren Überströmkanäle (16) pro Zylinderseite geleitet, die durch ihr bestimmtes Volumen zugleich einen Druckspeicher darstellen (Patentanspruch). Die verdichtete Luft kann erst in die Brennkammern (13) strömen, wenn der Einlaßschlitz (17) von dem sich in Richtung Vorverdichtungskammer bewegenden Stufenkolben (1) freigegeben wird.

In diesem Augenblick treten die Abgase (10) über die Auslaßöffnung (18) aus dem Brennraum (13) aus und die Frischgase ein (Zweitaktverfahren).

Durch den erhöhten Druck und der Mehrmenge an Frischluft wird eine sehr gute Spülung erreicht.

Nachdem der Stufenkolben durch die Bewegung in die Gegenrichtung die Ein- und Auslaß öffnungen verschlossen hat, werden beim Verdichtungsvorgang der Verbrennungsluft im Brennraum der Kraftstoff über ein elektromagnetisches Ventil (6) direkt eingespritzt (Patentanspruch 3).

Die Verdichtungsleistung wird dabei von dem gegenüberliegenden Stufenkolben über die Kolbenverbindungsstange erbracht.

Nachdem das Luft-Kraftstoffgemisch beim Benzinbetrieb durch die Zündkerze (7) oder beim Dieselbetrieb durch Selbstentzündung aufgrund der hohen Verdichtung gezündet hat expandiert das Verbrennungsgas und drückt den Stufenkolben wieder in Richtung Vorverdichtungskammer, wo wiederum die Verbrennungsluft vorverdichtet wird. Außerdem treibt er den gegenüberliegenden Stufenkolben an, der Vorgang beginnt erneut.

Der Vorgang der Stufenkolbenschmierung im Einzelnen:

Das Schmiermittel wird in den verbleibenden Räumen (22) zwischen den Brennkammern (13) und Vorverdichtungszylindern (12) oder in die Verbindungskanäle (15) zwischen demselbigem Raum auf der gegenüberliegenden Stufenkolben-Zylinderkombination eingebracht.

Die Verbindungskanäle dienen den Luftaustausch zwischen den beiden Räumen (22), damit unnötige Verdichtungsarbeit vermieden wird.

Ein unterseitiger Verbindungskanal (9) wird dazu benutzt, uln das abfließende Schmiermittel zu einem Pumpensumpf (14) zu führen.

Die Ermittlung der Kolbenposition im Einzelnen:

Für die exakte Steuerung des Zündzeitpunktes (nur bei Benzinbetrieb) und des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes sowie für den Startvorgang ist die Ermittlung der genauen Lage des Kolbensystems zu jedem Zeitpunkt notwendig.

Dafür ist eine elektrooptische Messungsanordnung Patentanspruch 4 angebracht, die zur Distanzmessung moduliertes Licht verwendet.

Der Meßstrahl (21) wird aus einem Sender über ein Spiegelsystem (20) zur Kolben verbindungsstange 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. 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 Startvorgang) zum Generatorbetrieb und umgekehrt.

Bei dem nach o. g. Patentansprüchen konstruierten zweitaktfreikolbenmotorbetriebenen Linearstromgenerator ergeben sich folgende Vorteile gegenüber bestehenden Otto- und Dieselmotorbetriebenen Stromgeneratoren herkömmlicher Bauart ergeben:

- sehr guter Spüleffekt der Brennkammern durch die Zuführung von vorverdichteter Verbrennungsluft
- durch die Kraftstoffdirekteinspritzung und der schmiermittelfreien Verbrennungsluft ergeben sich in Verbindung mit einem Dreiwegekatalysator beim Benzinbetrieb oder mit einem Oxidationskatalysator beim Dieselbetrieb sehr gute Abgaswerte
- keine Umwandlung von linearen Bewegungen in Drehbewegungen, dadurch hoher Wirkungsgrad
- Zweitaktverfahren ohne Spülverluste, dadurch geringerer Verbrauch
- keine viertaktüblichen Ein- und Auslaßventile, kein Ventiltrieb notwendig, dadurch weniger Reibungsverluste
- keine Kurbelwelle und deren Kugel- oder Walzenlager
- keine Dichtungen der Antriebswellen notwendig
- sehr wenige bewegliche Teile
- Motor- und Generatorteil sind in einem gemeinsamen, leicht zu fertigendem Gehäuse vereint
- dadurch geringes Gewicht, kleine Abmessungen und sehr günstige Produktionskosten
- hoher Wirkungsgrad.

Durch die o. g. Vorteile ergibt sich ein leichtes, kompaktes, günstig herzustellendes und energiesparendes Stromerzeugungssystem, das für verschiedene Einsatzgebiete hervorragend geeignet ist.

Diese sind z. B. der Einsatz in Hybridfahrzeugen, wo das System den Akkumulator versorgt. Diesem genügt eine geringere Kapazität und somit ein geringeres Gewicht und kleinere 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.

Einsatz in Blockheizkraftwerken, vor allem durch die o. g. Vorteile auch in kleineren Anlagen wie z. B. in Einfamilienhäusern.

Einsatz als mobile Stromerzeuger wie Baustellen-Stromaggregate usw., und stationäre Stromerzeuger wie Notstromerzeuger usw.

Claims

1. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator mit

1. zwei gegenüberliegenden, starr miteinander verbundenen Kolben, deren Kolbenoberseite der Brennkammer (13) zugewandt ist;
2. das Zweitaktverfahren ist als Diesel- oder als Ottoverfahren realisiert;
3. die lineare Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt;
4. die Kolben sind als Stufenkolben (1) ausgebildet, wobei die Querschnittsfläche der Kolbenunterseite größer ist als die Querschnittsfläche der Kolbenoberseite;
5. das Hubvolumen an der Kolbenunterseite ist damit größer als das Hubvolumen an der Kolbenoberseite, wodurch sich ein effektiverer Spülvorgang ergibt;
6. durch die Stufenkolben bildet sich ein Restvolumen (22) zwischen der Brennkammer (13) und Vorverdichtungskammer (12);
7. in diesem Restvolumen erfolgt die Schmierung des Stufenkolbens, wobei dabei das Schmiermittel nicht mit der Verbrennungsluft in Berührung kommt;
8. beide Restvolumen (22) sind zum Druckausgleich miteinander verbunden.

2. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, bei dem

1. die im Vorverdichtungskammer (12) vorverdichtete Verbrennungsluft durch Überströmkanäle (16), die durch entsprechende Dimensionierung zugleich als Druckspeicher dienen, zu den Brennkammern (13) gelangt.

3. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, bei dem

1. die Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer (13) jeweils über ein elektromagnetisches Direkteinspritzungsventil (6) erfolgt.

4. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, bei dem

1. die jeweiligen Kolbenpositionen durch eine elektrooptische Messungs anordnung ermittelt werden, bei der die Phasendifferenz modulierten Lichtes gemessen wird.