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Die Erfindung bezieht sich auf einen Freikolbenmotor mit
einer Hydraulikeinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen
Freikolbenmotors oder einer Freikolbenmaschine (siehe EP-A-0 254 353)
bestehen die Zuführungs- und Ableitungseinrichtungen der
Verdrängungskammern aus einem Zuführungs- und Ableitungskanal
mit einem Rückschlagventil. Am Ende der Bewegung des Kolbens
aus der zweiten in die erste Stellung, d.h. am Ende des
Expansionshubes, schließt sich das Rückschlagventil des
Ableitungskanals, so daß der Druck in der jeweiligen Kammer
niedriger wird als der Druck im Druckspeicher zusammen mit
dem Federdruck des Ventils. Der Schließvorgang des
Rückschlagventils sollte schnell stattfinden, da sonst
Hydraulikflüssigkeit in die Kammer zurückströmt, was den Kolben
veranlaßt, sich entlang der gleichen Strecke in die zweite
Stellung zurückzubewegen, während beabsichtigt ist, den Kolben in
seiner ersten Stellung zu halten, bis ein neuer Kompressions-
und Expansionshub erforderlich ist. Der schnelle
Schließvorgang des Rückschlagventils erfordert einen hohen Federdruck
im Rückschlagventil. Dies führt jedoch zu einem hohen
Strömungswiderstand, wenn Hydraulikflüssigkeit durch dieses
Rückschlagventil während des Expansionshubes des Kolbens
strömt, was wesentliche Strömungsverluste hervorruft.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines
Freikolbenmotors oder einer Freikolbenmaschine mit einer Hydraulikeinheit
der im Oberbegriff genannten Art, bei welchen dieser Nachteil
in wirksamer Weise beseitigt ist.
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Zu diesem Zweck weist ein Freikolbenmotor mit einer
Hydraulikeinheit gemäß der Erfindung die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 auf.
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Infolge der erfindungsgemäßen Merkmale werden die
Ableitungskanaleinrichtungen mit niedrigem Strömungwiderstand während
des ersten Teils des Expansionshubes verwendet, so daß
geringe Hydraulikverluste eintreten. Am Ende des Expansionshubes,
wenn die Geschwindigkeit des Kolbens wesentlich verringert
ist, werden die ersten Ableitungskanaleinrichtungen außer
Betrieb gesetzt, und das Ableiten von Hydraulikflüssigkeit
aus der Kammer findet nur durch die zweite
Ableitungskanaleinrichtung mit einem schnellen Rückstellventil und kleinem
Verlustvolumen statt. Auf diese Weise werden beide
entgegengesetzten Ziele niedriger Strömungswiderstände und kleinen
Rückschlags des Kolbens vom unteren Totpunkt in wirksamer
Weise erreicht.
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NL-A-6 814 405 beschreibt einen Freikolbenmotor mit
Hydraulikeinheit, welcher getrennte erste und zweite
Ableitungskanaleinrichtungen aufweist, die jeweils in einem ersten bzw.
zweiten Teil des Expansionshubes sowie in einem zweiten bzw.
ersten Teil des Kompressionshubes arbeiten. Die erste
Ableitungskanaleinrichtung hat einen niedrigen Strömungswiderstand
und die zweite Ableitungskanaleinrichtung enthält einen
Regler zur Steuerung der Kolbengeschwindigkeit im ersten Teil
des Kompressionshubes, um dadurch die Hubfrequenz des Motors
zu steuern.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Figuren
erläutert, welche beispielhaft Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Freikolbenmotors darstellen. Es zeigen:
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Fig.1 einen sehr schematischen Längsschnitt eines
Freikolbenmotors, der ein vereinfachtes Schema der
entsprechenden hydraulischen Einheit wiedergibt;
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Fig.2 einen Längsschnitt einer strukturell
realistischeren Ausführungsform des Freikolbenmotors mit der in Fig.1
gezeigten Hydraulikeinheit;
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Fig.3 einen der Fig.1 entsprechenden Schnitt einer
zweiten Ausführungsform des Freikolbenmotors zusammen mit
einer Hydraulikeinheit;
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Fig.4 ein Diagramm, das die Kolbenverschiebung als
Funktion der Zeit darstellt; und
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Fig. 5A, B das Verlustvolumen an Hydraulikflüssigkeit
in einer Verdrängungskammer am Ende des Expansionshubes des
Kolbens.
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Fig.1 zeigt schematisch eine erste beispielhafte
Ausführungsform eines Freikolbenmotors mit einer Hydraulikeinheit gemäß
der Erfindung. Dieser Freikolbenmotor weist einen Zylinder 1
und einen im Zylinder 1 angeordneten Kolben 2 auf, der eine
Seite eines Verbrennungsraumes 3 abschließt und sich im
Zylinder 1 zwischen einer ersten Stellung, in der das Volumen
des Verbrennungsraumes 3 im Zylinder 1 maximal ist (dem
sogenannten unteren Totpunkt BDC), und einer zweiten Stellung
hin- und herbewegt, in welcher das Volumen des
Verbrennungsraumes 3 im Zylinder 1 minimal ist (dem sogenannten oberen
Totpunkt TDC). Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor arbeitet
als Dieselmotor, in welchem Kraftstoff in den mit
komprimierter Verbrennungsluft gefüllten Verbrennungsraum 3
eingespritzt wird und das Kraftstoff-Luftgemisch durch spontane
Verbrennung gezündet wird. Zu diesem Zweck trägt ein
Zylinderkopf
4, welcher den Verbrennungsraum 3 auf der vom Kolben
2 weg weisenden Seite begrenzt, eine Einspritzdüse 5 zum
indirekten oder direkten Einspritzen von flüssigem
Kraftstoff 1 wie Dieselöl. Zum Ansaugen von Luft ist ein
Ansaugkanal 7 mit einem Rückschlagventil 6 mit dem unterhalb des
Kolbens 2 gelegenen Raum im Zylinder 1 verbunden, und es wird
Luft durch Verdrängung des Kolbens 2 aus der ersten Stellung
in die zweite Stellung, d.h. während des Kompressionshubes,
angesaugt. Ein Verbindungs- oder Spülkanal 8 stellt sicher,
daß die durch den Ansaugkanal 7 angesaugte Luft während des
Expansionshubes des Kolbens 2, d.h. aus der zweiten Stellung
in die erste Stellung des Kolbens 2, aus dem Raum unter dem
Kolben 2 zum Verbrennungsraum 3 oberhalb des Kolbens 2
geleitet wird. Die nach der Verbrennung des
Kraftstoff-Luftgemisches erzeugten Verbrennungsgase werden durch einen
Auslaßkanal 9 abgeleitet.
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Auf der vom Verbrennungsraum 3 weg weisenden Seite des
Kolbens 2 ist ein plungerförmiger Fortsatz 10 ausgebildet, der
einerseits den Kolben 2 bei seiner geradlinigen Hin- und
Herbewegung führt, dessen wichtigste Funktion jedoch die
Umwandlung der während der Verbrennung des
Kraftstoff-Luftgemisches im Verbrennungsraum 3 dem Kolben 2 erteilten
mechanischen Energie in hydraulische Energie sowie die Umwandlung
der hydraulischen Energie in mechanische Energie im Kolben 2
zur Ausführung des Kompressionshubes des Kolbens 2 ist.
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Für diese Funktionen weist der plungerförmige Kolbenfortsatz
bei dieser ersten Ausführungsform - gesehen vom Kolben 2
aus - einen ersten Stangenabschnitt 11 kleinen Durchmessers,
einen verbindenden ersten Plungerabschnitt 12 größeren
Durchmessers, einen zweiten Stangenabschnitt 13 eines zwischen
demjenigen des ersten Stangenabschnitts 11 und demjenigen des
ersten Plungerabschnitts 12 liegenden Durchmessers und am
freien Ende des plungerförmigen Fortsatzes 10 einen zweiten
Plungerabschnitt 14 mit wenig größerem Durchmesser als
demjenigen des zweiten Stangenabschnitts 13 auf.
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Ein Kompressionsabschnitt 20 der Hydraulikeinheit, der
geeignet ist, dem Kolben 2 die Durchführung des Kompressionshubes
zu ermöglichen, weist die folgenden Teile auf.
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Im Motorblock ist eine erste Kammer 15 ausgebildet, von der
ein Raum 16 auf einer Seite durch eine erste Axialfläche 17
abgeschlossen ist, die an einem Ende des ersten
Plungerabschnitts 12 ausgebildet ist. Das Volumen dieses Raums 16 in
der ersten Kammer 15 wird während des Expansionshubes des
Kolbens 2 aus seiner ersten in seine zweite Stellung
vergrößert. Andererseits wird vom ersten Plungerabschnitt 12 ein
Raum 18 gebildet, der durch eine weitere Axialfläche 19 des
ersten Plungerabschnitts 12 beweglich abgeschlossen wird.
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Der Kompressionsabschnitt 20 der Hydraulikeinheit weist
ferner einen Kompressionsdruckspeicher 21 auf, welcher die
Räume 16 und 18 der ersten Kammer 15 über eine Anzahl von
Kanälen oder Leitungen verbindet. Ein erster Verbindungskanal
22 verbindet die erste Kammer 15 in einer solchen Lage, daß
eine wirksame Verbindung zwischen dem Raum 16 der ersten
Kammer 15 und dem Kompressionsdruckspeicher 21 nur in
Stellungen des Kolbens nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 2,
d.h. während eines letzten, jedoch kleineren Teils des
Expansionshubes des Kolbens 2 möglich ist, und während eines
ersten Teils des Kompressionshubes des Kolbens 2 ist der
Verbindungskanal 22 durch die Umfangswand des ersten
Plungerabschnitts 12 verschlossen, der in die erste Kammer 15
eingepaßt ist. Der Verbindungskanal 22 hat einen niedrigen
Strömungswiderstand und enthält vorzugsweise keine Ventile, so
daß die Verbindung zwischen dem Raum 16 in der ersten Kammer
15 und dem Kompressionsdruckspeicher 21 durch den ersten
Plungerabschnitt 12 des Kolbenfortsatzes 10 voll gesteuert
wird. Ein zweiter Verbindungskanal 23 ist mit einem Zwei-
Wege-Ventil 24 versehen , in dessen erster Stellung der
zweite Verbindungskanal 23 geschlossen ist (siehe Fig.1) und
in dessen zweiter Stellung Hydraulikfluid vom Druckspeicher
21 zum Raum 16 der ersten Kammer 15 strömen kann. Zwischen
dem ersten und zweiten Verbindungskanal 22, 23 ist eine
Zwischenleitung 25 mit einem Rückschlagventil 26 des
schnellschließenden Typs vorgesehen, das nur den Durchtritt von
Hydraulikflüssigkeit vom Raum 16 der ersten Kammer 15 zum
Druckspeicher 21 zuläßt. Dieses Rückschlagventil 26 kann von
üblicher Bauart sein, und eine starke Feder kann den
schnellen Schließvorgang des Ventils bewirken. Das Rückschlagventil
26 ist so nahe wie möglich am Raum 16 in der ersten Kammer 15
angeordnet, wie in Fig.2 gezeigt.
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Ein dritter Verbindungskanal 27 kann eine Verbindung zwischen
dem Raum 18 der ersten Kammer 15 und dem Druckspeicher 21 in
dem Fall bewirken, daß der Motor gestartet werden und der
Kolben 2 in seinen unteren Totpunkt gebracht werden soll,
oder in dem Fall einer sogenannten "Fehlzündung", in welchem
die Verbrennung des Verbrennungsraums 3 nicht ausreichend
war, um den Kolben 2 zur Durchführung eines ausreichenden
Expansionshubes zu veranlassen, und dann der Kolben 2 zum
unteren Totpunkt mittels des Druckes aus dem Druckspeicher 21
gebracht werden sollte. Zu diesem Zweck wird ein Zwei-Wege-
Ventil 28 im dritten Verbindungskanal 26 in die Stellung
geschaltet, in welcher Hydraulikflüssigkeit vom Druckspeicher
21 zum Raum 18 in der ersten Kammer 15 strömen kann, so daß
ein Kompressionsdruck auf die weitere Axialfläche 19 des
ersten Plungerabschnitts 12 ausgeübt wird. In der normalen
Betriebsstellung des Freikolbenmotors befindet sich das
Zwei-Wege-Ventil 28 in der in Fig.1 gezeigten Stellung, in
welcher der Raum 18 der ersten Kammer 15 mit einem (nicht
gezeigten) Niedrigdruckbehälter in Verbindung steht.
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Mit. dem Raum 16 nahe dem Verbindungskanal 23 steht ein
Entspannungsventil 54 in Verbindung, und während des
Kompressionshubes des Kolbens 2 wird es durch den Druck aus dem
Kompressionsdruckspeicher 21 in eine Stellung bewegt, in der
es als Rückschlagventil arbeitet und den Austritt von
Hydraulikflüssigkeit aus dem Raum 16 verhindert, und nur wenn der
Kolben 2 stillsteht, wird es durch eine Rückstellfeder in
eine das Austreten aus dem Raum 16 ermöglichende Stellung
gedrückt.
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Der Arbeitsabschnitt der Hydraulikeinheit des
Freikolbenmotors gemäß der Erfindung, der allgemein mit 29 bezeichnet
ist, weist die folgenden Teile auf.
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Der zweite Stangenabschnitt 13 und der zweite
Plungerabschnitt 14 können sich innerhalb einer zweiten Kammer 13
verschieben, die in einen ersten Kammerabschnitt 31, dessen
Durchmesser gleich oder in diesem Fall größer ist als der
Durchmesser des Plungerabschnitts 14, und einen zweiten
Kammerabschnitt 32 unterteilt ist, dessen Durchmesser an
denjenigen des zweiten Plungerabschnitts 14 angepaßt ist, so
daß der zweite Plungerabschnitt 14 im zweiten Kammerabschnitt
32 dichtend sitzt. Der zweite Plungerabschnitt 14 weist eine
erste Axialfläche 49, auf die der Druck im ersten
Kammerabschnitt 31 der zweiten Kammer 30 einwirken kann, und eine
zweite Axialfläche 50 entgegengesetzt zur ersten Axialfläche
auf, welche den zweiten Kammerabschnitt 32 im unteren
Totpunkt des Kolbens 2 begrenzt.
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Der Arbeitsabschnitt 29 der Hydraulikeinheit weist zwei
Druckspeicher, einen Hochdruckspeicher 33 und einen
Niedrigdruckspeicher
34, auf. Der Hochdruckspeicher 33 ist für die
Verwendung als Speicher von Arbeitsdruck für einen an den
Anschluß 35 angeschlossenen Benutzer oder Verbraucher
bestimmt. Der Benutzer kann beispielsweise aus einem vom
Freikolbenmotor über die Hydraulikeinheit angetriebenen
Fahrzeugrad bestehen. Der Anschluß 35 für den Benutzer ist an eine
Ableitungsleitung 36 zum Ableiten von Hydraulikflüssigkeit
aus der zweiten Kammer 30 während des Expansionshubes des
Kolbens 2 angeschlossen. Ein erster Ableitungskanal 37 ist an
den ersten Kammerabschnit 31 der zweiten Kammer 30
angeschlossen, während ein zweiter Ableitungskanal 38 an den
zweiten Kammerabschnitt 32 der zweiten Kammer 30
angeschlossen ist. Der erste Ableitungskanal 37 mündet in den zweiten
Ableitungskanal 38, in welchen zwischen dem Anschluß des
ersten Ableitungskanals 37 am zweiten Ableitungskanal 38 und
den zweiten Kammerabschnitt 32 der zweiten Kammer 30 ein
schnelles Rückschlagventil 39 in einer Stellung nahe dem
zweiten Kammerabschnitt 32 aufgenommen ist. Nach dem Anschluß
des ersten Ableitungskanals 37 ist ein zweites
Rückschlagventil 40 in den zweiten Ableitungskanal 38 eingesetzt. Der
erste Ableitungskanal 37 und das Rückschlagventil 40 haben
einen geringen Strömungswiderstand, und das Rückschlagventil
39 ist ein schnellschließendes Rückschlagventil. Zu diesem
Zweck hat das Rückschlagventil 39 vorzugsweise eine stärkere
Feder als das Rückschlagventil 40.
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Der Niedrigdruckspeicher 34, an welchen ein Benutzerauslaß am
Anschluß 41 angeschlossen sein kann, weist eine
Zuführungsleitung 42 auf, die in einen ersten Zuführungskanal 43,
welcher an den ersten Kammerabschnitt 31 der zweiten Kammer
30 angeschlossen ist, und einen zweiten Zuführungskanal 44
unterteilt ist, der mit dem zweiten Kammerabschnitt 32 der
zweiten Kammer 30 in Verbindung steht. Der erste
Zuführungskanal 43 enthält ein Rückschlagventil 45 mit niedrigem
Strömungswiderstand,
und der zweite Zuführungskanal 44 enthält
ein schnellschließendes Rückschlagventil 46, wobei beide
Rückschlagventile 45,46 eine Strömung von
Hydraulikflüssigkeit lediglich vom Niederdruckspeicher 34 zur zweiten Kammer
30 ermöglichen. Eine Bypassleitung 47 überbrückt das
Rückschlagventil 46 im zweiten Zuführungskanal 44 und enthält ein
Zwei-Wege-Ventil 48, das normalerweise als Rückschlagventil
arbeitet, und nur in dem Fall, daß der Kolben 2 durch den
Kompressionsdruckspeicher 21 in seinen unteren Totpunkt
gebracht wird, als Druckentspannungsventil zur Entspannung
des zweiten Kammerabschnitts 32 der zweiten Kammer 30 wirkt.
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Der Betrieb des oben beschriebenen Freikolbenmotors mit
Hydraulikeinheit ist der folgende.
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In Fig.1 ist der Kolben 2 in seinem unteren Totpunkt, d.h. in
seiner ersten Stellung, gezeigt. In dieser Stellung beginnt
gerade der Kompressionshub des Kolbens 2. Zu diesem Zweck
wird das Zwei-Wege-Ventil 24 in seine geöffnete Stellung
bewegt, in welcher Hydraulikflüssigkeit vom Druckspeicher 21
zum Raum 16 in der ersten Kammer 15 strömen kann. Sodann wird
Hydraulikdruck auf die erste Axialfläche 17 des ersten
Plungerabschnitts 12 des Kolbenfortsatzes 10 ausgeübt, was den
Kolben 2 veranlaßt, sich aus seinem unteren Totpunkt
herauszubewegen. Durch Vergrößerung des Volumens des zweiten
Kammerabschnitts 32 der zweiten Kammer 30 wird
Hydraulikflüssigkeit aus dem Niedrigdruckspeicher 34 durch den zweiten
Zuführungskanal 44 und das Rückschlagventil 46 angesaugt.
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Sobald der Plungerabschnitt 12 des Kolbenfortsatzes 10
ausreichend weit bewegt ist (in Fig.1 nach links) und daher der
Kolben 2 einen ersten Teil des Kompressionshubes ausgeführt
hat, öffnet der erste Plungerabschnitt 12 den ersten
Verbindungskanal 22, so daß Hydraulikflüssigkeit durch den ersten
Verbindungskanal 22 mit niedrigem Strömungswiderstand zum
Raum 17 der ersten Kammer 15 strömen kann, und auf den Kolben
2 wird Kraft ausgeübt, damit er den zweiten Teil des
Kompressionshubes mit großer Geschwindigkeit durchführt. Inzwischen
hat auch der zweite Plungerabschnitt 14 den zweiten
Kammerabschnitt 32 der zweiten Kammer 30 verlassen und
Hydraulikflüssigkeit wird in die zweite Kammer 30 aus dem
Niedrigdruckspeicher 34 sowohl durch den ersten Zuführungskanal 43 als
auch durch den zweiten Zuführungskanal 44 angesaugt.
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Die Steuerung der Hydraulikeinheit ist derart, daß der
Kolben 2 ausreichende Energie aufnimmt, um einen
Kompressionshub der gewünschten Länge durchzuführen, damit
die im Verbrennungsraum 3 durch den Ansaugkanal 6 und den
Verbindungskanal 8 angekommene Luft ausreichend
zusammengedrückt wird, und um nach dem Einspritzen von
Kraftstoff durch die Einspritzdüse 5 eine richtige sponante
Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches zu bewirken.
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Während des Expansionshubes des Kolbens 2 wird das Volumen
des Raums 16 in der ersten Kammer 15 durch den
Kolbenabschnitt 12 verkleinert, und Hydraulikflüssigkeit wird aus
diesem Raum 16 in den Druckspeicher 21 durch den ersten
Verbindungskanal 22 mit geringem Strömungswiderstand
zurückgedrückt. Infolge des geringen Strömungswiderstandes des
ersten Verbindungskanals 22 erleidet der erste
Plungerabschnitt 12 und daher der Kolben 2 minimale Verluste. Im
Arbeitsabschnitt 29 der Hydraulikeinheit sind die
Rückschlagventile 45 und 46 am Beginn des Expansionshubes geschlossen
worden, und durch die Verkleinerung des Volumens in der
zweiten Kammer 30 wird Hydraulikflüssigkeit zum
Hochdruckspeicher 33 und/oder über den Anschluß 35 zum Benutzer
hauptsächlich durch den ersten Zuführungskanal 37 und das
Rückschlagventil 40 geleitet. Infolge des geringen
Strömungswiderstandes
im ersten Ableitungskanal 37 und im
Rückschlagventil 40 erleidet der Kolben 2 auch in diesem Fall geringere
Verluste.
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Im zweiten Teil des Expansionshubes nahe dem unteren Totpunkt
des Kolbens 2, wo die Geschwindigkeit des Kolbens 2 und des
Kolbenfortsatzes 10 wesentlich herabgesetzt ist, wird der
erste Verbindungskanal 22 durch die Umfangswand des ersten
Plungerabschnitts 12 des Kolbenfortsatzes 10 geschlossen, so
daß Hydraulikflüssigkeit aus dem Raum 16 der ersten Kammer
nur zum Druckspeicher 21 durch den zweiten Verbindungskanal
23 und das Rückschlagventil 26 in der Zwischenleitung 25
zurückgeleitet werden kann. Der höhere Strömungswiderstand
desselben ist kein großes Problem, da die Geschwindigkeit des
Kolbens 2 wesentlich herabgesetzt ist.
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Im Arbeitsteil 29 der Hydraulikeinheit hat nahe dem Ende des
Expansionshubes des Kolbens 2 der zweite Plungerabschnitt 14
den zweiten Kammerabschnitt 32 der zweiten Kammer 30
erreicht, und ein Ableiten von Hydraulikflüssigkeit aus der
zweiten Kammer 30 findet nur durch den zweiten
Ableitungskanal 38 und die Rückschlagventile 39 und 40 statt. Der erste
Kammerabschnitt 31 bleibt auf dem Arbeitsdruck, der durch
einen Teil der Flüssigkeit aus dem zweiten Kammerabschnitt 32
durch den ersten Ableitungskanal 37 zugeführt wird.
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Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor ist vom
intermittierenden Typ, d.h., daß, wenn der Kolben 2 im unteren Totpunkt
angekommen ist, ein neuer Kompressions- und Expansionshub vom
Kolben nur dann ausgeführt wird, wenn er infolge der
Anforderung des Benutzers notwendig ist, oder wenn der Druck im
Hochdruckspeicher 33 nicht sein Maximum erreicht hat. Dies
bedeutet, daß der Kolben 2 in einer Stellung gehalten werden
sollte, die zur Durchführung eines neuen Kompressions- und
Expansionshubes bereit ist. Je genauer diese Startstellung
gesteuert werden kann, desto genauer kann der nachfolgende
Kompressions- und Expansionshub durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Startstellung des Kolbens 2 in
seinem unteren Totpunkt als Ergebnis des Druckes in dem
ersten Kammerabschnitt 31 gehalten, welcher auf die
Axialfläche 49 des zweiten Plungerabschnitts 14 einwirkt und daher
den ganzen Kolben 2 festhält. Es stimmt, daß am Ende des
Expansionshubes auch der Arbeitsdruck noch auf die
entgegengesetzte Axialfläche 50 des Kolbenabschnitts 14 einwirkt,
aber infolge eines sehr kleinen Zurückschlagens des Kolbens 2
fällt dieser Druck sehr schnell auf den Druck im
Niedrigdruckspeicher 34 infolge der Ausdehnung der
Hydraulikflüssigkeit in der Kammer 32 ab, und in manchen Fällen öffnet sich
sogar das Rückschlagventil 46. Diese schnelle Ausdehnung der
Hydraulikflüssigkeit im Kammerabschnitt 32 und der damit
verbundene Druckabfall sollten durch Schließen des
Rückschlagventils 39 ermöglicht werden, da sonst Flüssigkeit
unter hohem Druck in den Kammerabschnitt 32 fließt.
Infolgedessen sollte das Rückschlagventil 39 schnellschließend sein,
und im günstigsten Falle ist/dieses Ventil bereits nahezu
geschlossen, wenn der Kolben 2 seinen unteren Totpunkt
erreicht. Vorzugsweise sollte auch das Rückschlagventil 46
geeignet sein, sich schnell zu schließen, da sonst eine
Gefahr besteht, daß infolge eines unausgeglichenen
Kräftegleichgewichts am Plungerabschnitt 14 (dort besteht dann ein
hoher Druck im Kammerabschnitt 31) der Kolben sich wiederum
zum und möglicherweise über den unteren Totpunkt hinaus
bewegt. Dies ist in Fig.4 dargestellt, wo die durchgezogene
Linie die Kolbenbewegung (als Funktion der Zeit) darstellt,
wenn die Hydraulikeinheit gemäß Fig.1 oder 3 ausgebildet ist,
während die mit A bezeichnete gestrichelte Linie die
Kolbenbewegung zeigt, die auftreten würde, wenn die Zuführungs- und
Ableitungseinrichtungen nicht mit der Unterteilung in Kanäle
mit geringem Strömungswiderstand und kleine Kanäle mit
schnellen Rückschlagventilen versehen wären. Infolge der zu
langsamen Schließwirkung des einzigen größeren, weniger
schnellen Rückschlagventils wird im unteren Totpunkt des
Kolbens 2 eine Verbindung jeweils zwischen den Kammern 16,32
und den Speichern 21,33 zu lang aufrechterhalten,so daß
infolgedessen der Kolben 10 soweit zurückspringt, daß der
Zuführungskanal 22 durch den Plungerabschnitt 12 geöffnet
wird und ein nicht gewünschter neuer Kompressionshub des
Kolbens 2 gestartet wird. Die gestrichelte Linie P in Fig.4
stellt die mögliche Kolbenverschiebung dar, wenn die
Zuführungseinrichtung des Niedrigdruckabschnitts nicht eine
Unterteilung in einen ersten Kanal 43 mit geringem
Strömungswiderstand und einem großen Rückschlagventil 45 sowie einen
zweiten kleinen Kanal 44 mit einem schnellen Rückschlagventil 46
umfaßt. Während des Zurückprallens des Plungers 10 im unteren
Totpunkt des Kolbens 2 öffnet der niedrige Druck in der
Kammer 32 das Rückschlagventil 46, wonach sich dieses Ventil
46 nicht schnell genug schließt, wenn der Plunger 10 durch
den hohen Druck in der Kammer 31 wiederum zum unteren
Totpunkt gedrückt wird. Infolgedessen schießt der Kolben 2 über
den unteren Totpunkt hinaus und dementsprechend läßt sich
keine richtige Startstellung für den nächsten Expansionshub
erzielen.
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Infolge der erfindungsgemäßen Merkmale wird jedoch das
Kräftegleichgewicht durch sehr kleine Verschiebungen des
Plungerabschnitts 14 automatisch aufrechterhalten. Diese Bewegungen
und insbesondere das erste Zurückprallen kann durch die
schnellschließenden Rückschlagventile 36,39 und 46 und auch
durch die Minimalisierung des Volumens des Raums 16 und des
zweiten Kammerabschnitts 32 und insbesondere der Kanäle 23,38
bzw. 44, die daran angeschlossen sind, auf einem Minimum
gehalten werden. Dies wird erreicht, indem die
Rückschlagventile 26,39 und 46 so nahe wie möglich an der jeweiligen
Kammer angeordnet werden, wie in Fig. 2 gezeigt.
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Fig.5A,B stellt die Volumina dar, die hier eine Rolle
spielen. Fig.5A zeigt die Stellung des Kolbenabschnitts 14, in
welcher er den zweiten Kammerabschnitt 32 gerade verschließt
und infolgedessen anschließend Flüssigkeit nur durch das
Rückschlagventil 39 im Kanal 38 abfließen kann. Die
gestrichelte Linie in Fig.5A umfaßt das Volumen 1 unter dem
Plungerabschnitt 14, das bis zum mechanischen Anschlag verdrängt
werden kann. Dieses Volumen 1 wird durch den Aufbau
festgelegt und kann durch die vorliegende Erfindung kaum beeinflußt
werden. Was jedoch beeinflußt werden kann, ist das in Fig.5B
angegebene Volumen 2, welches außer dem Volumen 1 auch das
Verlustvolumen umfaßt, d.h. das ganze Volumen von zufälligen
Räumen außerhalb des Plungervorsprungs bis zu den
Rückschlagventilen 39 und 46 in den Kanälen 38 und 44. Volumen 2
- Volumen 1 sollte so klein wie möglich gehalten werden, um das
Zurückprallen des Kolbens infolge der Expansion der
Hydraulikflüssigkeit minimal zu machen, wenn die Rückschlagventile
39 und 46 geschlossen werden. Das Differenzvolumen oder
Verlustvolumen, d.h. Volumen 2 - Volumen 1, beträgt
vorzugsweise weniger als 300% des Volumens 1. Dies kann erreicht
werden, indem die Kanäle 38, 44 und die darin angeordneten
Rückschlagventile 39 und 46 mit einem Durchmesser versehen
werden, der so klein wie möglich ist, sowie durch Anordnung
der Rückschlagventile 39 und 46 so nahe wie möglich am
Kammerabschnitt 32.
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Das erste Zurückprallen des Kolbens 2 vom unteren Totpunkt,
wie in Fig.4 dargestellt, ist nicht nur vorzugsweise so klein
wie möglich, sondern es ist vorteilhaft, wenn dieses
Zurückprallen vom Arbeitsdruck im Hochdruckspeicher 33 unabhängig
ist. Bei der Ausführungsform nach Fig.1 ist dies jedoch nicht
der Fall, da der Gegendruck auf den zweiten Plungerabschnitt
14 gegen die Axialfläche 49 durch den Arbeitsdruck des
Hochdruckspeichers 33 bestimmt wird, der veränderlich ist, so daß
auch die Rückhaltekraft auf der Axialfläche 49 veränderlich
ist, und wenn der Arbeitsdruck niedrig ist, sollte ein großes
Zurückspringen akzeptiert werden, bevor ein
Kräftegleichgewicht erhalten wird.
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Aus der zurückgehaltenen Stellung des Kolbens 2 nahe dem
unteren Totpunkt kann der Kolben 2 einen weiteren
Kompressionshub durch Öffnen des Zwei-Wege-Ventils 24 starten, wenn
eine Anforderung vom Benutzer vorhanden ist oder wenn der
Druck im Hochdruckspeicher 33 zu niedrig ist. Das
Entspannungsventil 54 wird sodann unmittelbar auf ein
ableitungshinderndes Rückschlagventil umgeschaltet.
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Eine weitere verbesserte Ausführungsform des Freikolbenmotors
mit einer Hydraulikeinheit gemäß der Erfindung ist in Fig.3
dargestellt. Funktionell entsprechende Teile sind mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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wie in Fig.3 gezeigt, haben die Plungerabschnitte 12 und 14
und jeweils ihr Kompressionsabschnitt 20 bzw.
Arbeitsabschnitt 29 die Plätze getauscht. Die erste Kammer 15 ist
nunmehr in einen ersten Kammerabschnitt 51 mit einem
Durchmesser gleich oder in diesem Fall größer als demjenigen des
ersten Plungerabschnitts 12 sowie einen zweiten
Kammerabschnitt 52 eines Durchmessers unterteilt, der an denjenigen
des ersten Plungerabschnitts 12 angepaßt ist, so daß der
erste Plungerabschnitt genau in den zweiten Kammerabschnitt
52 der ersten Kammer 15 paßt. Im gezeichneten unteren
Totpunkt des Kolbens 2 steht der zweite Kammerabschnitt 52 der
ersten Kammer 15 in offener Verbindung mit dem
Kompressionsdruckspeicher
21, so daß der erste Plungerabschnitt 12 einen
Gegendruck des Kompressionsdruckes aus dem Speicher 21 gegen
die Axialfläche 49 des ersten Plungerabschnitts 12 erfährt,
wenn der Kolben 2 nach dem Kompressionshub im unteren
Totpunkt zurückprallt. Da der Kompressionsdruck des
Druckspeichers 21 im wesentlichen konstant ist, ist auch der
Gegendruck beim Zurückprallen vom unteren Totpunkt im wesentlichen
konstant, was zu einem im wesentlichen konstanten
Zurückprallen unabhängig vom Arbeitsdruck im Hochdruckspeicher 33
führt. Natürlich sollte die Fläche 49 in ihrer Größe für den
Kompressionsdruck geeignet sein. Der Raum hinter dem zweiten
Plungerabschnitt 14 in der zweiten Kammer 30, der mit dem
zweiten Ableitungskanal 37 in Verbindung steht, wird sodann
durch Belüftung desselben an die Umgebung oder einen
Niedrigdruckbehälter über das Zwei- Wege -Ventil 28 drucklos
gemacht. Der Betrieb des Freikolbenmotors mit Hydraulikeinheit
gemäß dieser Ausführungsform ist im übrigen gleich wie bei
der Ausführungsform nach Fig.1.
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In Fig.2 ist ferner dargestellt, daß das Gehäuse des
Zylinders 1 einen Sensor 53 trägt, der mit einer am Kolben 2 oder
am plungerförmigen Fortsatz 10 angebrachten Zähleinrichtung
zusammenwirkt. Dieser Sensor 53 kann abtasten, ob der Kolben
2 einen ausreichenden Expansionshub durchgeführt hat und
keine "Fehlzündung" eingetreten ist. Im letzteren Fall
sollten die Ventile 28 und 48 betätigt werden, um den
Expansionshub hydraulisch zu beenden. Erfindungsgemäß sind der Sensor
53 und die (nicht gezeigte) Zähleinrichtung nunmehr so
angeordnet, daß der Sensor einen ausreichenden Hub nur
registriert, wenn der erste Plunger 12 ausreichend weit
verschoben ist, um eine Verbindung des Raums 16 mit dem
Verbindungskanal 22 auch nach dessen Zurückprallen im unteren
Totpunkt zu vermeiden. Infolgedessen ist es nicht möglich,
daß ein Kompressionshub nach dem Zurückprallen unabsichtlich
startet.
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Es ist möglich, daß der Kompressionsabschnitt der
Hydraulikeinheit pneumatisch arbeitet. Die Unterteilung der
Zuführungs- und Ableitungseinrichtungen kann dabei angewendet
werden oder nicht.