DE102007056527A1

DE102007056527A1 - Schadstoffarmer Verbrennungsmotor mit elektrischen Linearmaschinen und Kolbenpumpen

Info

Publication number: DE102007056527A1
Application number: DE102007056527A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. Golle; Hanno Dipl.-Ing. Queißer
Original assignee: GOLLE MOTOR AG
Current assignee: GOLLE MOTOR GMBH, DE
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Verbrennungsmotoren mit direkter Koppelung der Arbeitskolben an Aggregate zur Erzeugung von elektrischer Energie, Druckluft oder Drucköl sind in vielen Ausführungen bekannt. Diese Systeme arbeiten mit herkömmlich geschmierten Zweitakt- oder Viertaktmotoren. Diese sind nur bedingt schadstoffarm und für eine hohe Betriebsdauer nicht genügend verschleißfest. Die Aufgabe besteht in der Schaffung eines derartigen Systems, welches hochgradig schadstoffarm ist und eine lange Betriebslaufzeit besitzt. Außerdem sollen elektrische Energie und/oder Drucköl oder Druckluft erzeugt werden. Die Lösung besteht in der Ausbildung des schadstoffarmen Gegenkolben-Zweitaktmotors nach DE 10026458 C2 oder eines nach den gleichen Merkmalen ausgebildeten herkömmlichen Einkolben-Verbrennungsmotors (1), derart, dass die ölfrei laufenden Arbeitskolben (5) über eine Kolbenstange (6) direkt mit elektrischen Linearmaschinen (2) und/oder Kolbenpumpen (3) gekoppelt sind. Die Erfindung wird am besten durch die Fig. 2 charakterisiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen schadstoffarmen Verbrennungsmotor mit direkt gekoppelten Linearmaschinen und/oder Kolbenpumpen, der als Freikolbenmaschine zur Erzeugung von Elektroenergie und/oder Druckluft oder Drucköl dient und wobei die aus dem Verbrennungsprozess anfallende Wärme zu Heizzwecken benutzt werden kann, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung beispielsweises als Blockheizkraftwerk genutzt wird.
Freikolbenmaschinen in klassischer Bauweise als Viertakt- oder Zweitaktmotoren sind in vielen Ausführungen bekannt. Ebenso so mannigfaltig vorgeschlagen werden Freikolbenmaschinen mit gegenläufigen Freikolben, also Gegenkolbenmotoren, bei denen beispielsweise nach DE 3627184 A1 , DE 3708972 A1 , DE 3645103 C2 oder DE 4115537 A1 anstelle von Kurbelwelle und Pleuelstange Freilaufwellen über Klemm-Freiläufe, Druckluft- oder Druckölerzeuger mit den gegenläufigen Freikolben gekoppelt werden.
Die vielfältig vorgeschlagenen Maschinen haben folgende entscheidende Nachteile:

– Die immer höheren Anforderungen an einen schadstoffarmen Betrieb können die heutigen Verbrennungsmotoren zukünftig nicht mehr erfüllen. Bei Viertaktmotoren entstehen aus dem Ölfilm an der Zylinderwandung durch Vermischung mit dem Kraftstoff bis zu 30% der HC-Emissionen, bei Zweitaktmotoren werden außerdem Partikel aus den Auslassschlitzen ausgestoßen.
– Der Einsatz solcher Maschinen, z. B. als Blockheizkraftwerk, verlangt eine sehr hohe Lebensdauer bis zu 30000 Betriebsstunden und noch darüber. Bei schnelllaufenden Viertaktmotoren treten hierbei Störungen besonders am Ventilsystem auf, bei Zweitaktmotoren sind solche Laufzeiten wegen der schlechten Schmierverhältnisse noch weniger möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das System Verbrennungsmotor-Linearmaschine/Kolbenpumpe hochgradig schadstoffarm, mit langer Betriebslaufzeit und geringen Fertigungskosten auszuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der "Schadstoffarme Gegenkolben-Zweitaktmotor" nach DE 10026458 C2 , oder ein mit den gleichen Merkmalen schadstoffarm ausgebildeter herkömmlicher Verbrennungsmotor, bei welchem die Kolben/Zylinder-Baugruppe durch hermetische Abschirmung vom Triebwerk völlig ölfrei arbeitet, unter Wegfall der Kurbelwellen und Pleuelstangen mit direkt an die Arbeitskolben angeordneten Linearmaschinen und/oder Kolbenpumpen ausgestattet ist. Dabei gewährleisten die Linearmaschinen den Synchronlauf der Arbeitskolben, so dass eine mechanische Koppelung der Arbeitskolben untereinander nicht erforderlich ist.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind in den Patentansprüchen 2. bis 7. dargelegt.
Dabei ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen Mittel des DE 10026458 C2 auf herkömmliche Einkolbenmotoren der Vier- oder Zweitaktbauweise zu übertragen und diese mit Linearmaschinen und/oder Kolbenpumpen direkt zu koppeln. Auf diese Weise arbeiten auch solche Maschinen mit einer ölfreien Kolben/Zylinder-Baugruppe und damit äußerst schadstoffarm.
Wie genannt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu den Linearmaschinen hydraulische oder pneumatische 70 Kolbenpumpen mit den Arbeitskolben zu koppeln, so dass ein solches System neben Elektroenergie einen hydraulischen Druckstrom oder Druckluft erzeugt. Dabei kann das hydraulische System beispielsweise auch zur Endlagendämpfung in den Totlagen der Arbeitskolben dienen.
Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.
Die Zeichnungen zeigen:
1 eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgeführten Motors,
2 einen Längsschnitt durch den Gegenkolbenmotor mit angekoppelten Linearmaschinen,
3 einen Längsschnitt analog 2, wobei der verbrennungsmotorische Teil als gleichstromgespülter Einkolbenmotor ausgestaltet ist,
4 einen Längsschnitt analog 3 mit einem umkehrgespülten Zweitaktmotor,
5 einen Längsschnitt analog 3 mit einem Viertaktmotor,
6 ein Ausführungsbeispiel entspechend der 2 mit angekoppelten Linearmaschinen und Kolbenpumpen.
In der 1 ist der Rumpfmotor nach DE 10026458 C2 dargestellt, wobei dieser keine Elemente zur Erzeugung einer drehenden Bewegung wie Pleuelstangen und Kurbelwellen besitzt. Vielmehr sind an die gegenläufigen Arbeitskolben beidseitig Linearmaschinen 2 und/oder hydraulische/pneumatische Kolbenpumpen 3 direkt angekoppelt.
Die 2 zeigt den Schnitt durch den Gegenkolbenmotor, wobei vom Rumpfmotor 1 nur die Hälfte bis zur Motormitte dargestellt ist. Die im Zylinder 4 ölfrei gleitenden Arbeitskolben 5 sind mit dem Kopf einer Kolbenstange 6 axial fixiert und winkelbeweglich verbunden. Die Kolbenstange 6 ist einerseits öl- und wartungsfrei in den Führungsbuchsen 7 am Rumpfmotor 1 und andererseits im Deckel 8 gelagert. Die Kolbenstange 6 und der Arbeitskolben 5 können natürlich auch auf andere Weise miteinander verbunden und gelagert sein. An den Rumpfmotor 1 schließt die Linearmaschine 2 stirnseitig an.
Sie besteht aus dem Stator 9 und dem auf der Kolbenstange 6 befestigten Anker 10. Zur Endlagendämpfung sind Dämpfungselemente 11 beidseitig vom Anker 10 angeordnet.
Diese Dämpfungselemente 11 können mechanische, hydraulische, pneumatische oder magnetische Systeme sein, welche die Rückführung der Arbeitskolben 5 unterstützen.
Die dargestellte Hälfte des Rumpfmotors 1 zeigt die Spülseite des Motors; die Spülluft tritt über die Spülbohrungen 12 in den Zylinder 4 ein.
Den Merkmalen des DE 10026458 C2 entsprechend sind der Zylinder 4, die Arbeitskolben 5 und die Führungsbüchsen 7 aus Werkstoffen wie Feinkorngrafit, Keramik oder anderen Sonderwerkstoffen gefertigt. Dabei können auch Werkstoffbeschichtungen der verschiedensten Art zusätzlich eingesetzt werden. Auch Verbundkonstruktion aus metallischen Werkstoffen und Sonderwerkstoffen, wie eingezogene Liner in den Zylinder 4, können im Sinne des völlig ölfreien Betriebes nach o. g. DE angewandt werden.
Die 3 zeigt einen gleichstromgespülten Einkolbenmotor, wobei ein Zylinderdeckel 13 den Rumpfmotor 1 abschließt. Dieser Zylinderdeckel 13 besitzt Auslassventile 14, die auch auf elektrische oder hydraulische Art gesteuert werden können. Ein solcher Motor stellt dann den Typ eines Ventil-Zweitaktmotors dar. Die Spülluft tritt über die Spülbohrungen 12 ein.
Nach dem von der Linearmaschine 2 bewirkten Verdichtungshub wird die Verbrennung im, bzw. kurz vor dem inneren Totpunkt des Arbeitskolbens 5 eingeleitet.
Im Arbeitshub wird vom Arbeitskolben 5 über die Kolbenstange 6 Energie an die Linearmaschine 2 abgegeben, bis kurz vor öffnen der Spülbohrungen 12 die Auslassventile 14 die Verbrennungsgase auslassen und der Spülvorgang erneut einsetzt.
Die 4 zeigt in Abwandlung der 3 den Typ eines umkehrgespülten Zweitaktmotors. Hierbei ist der Zylinderdeckel 13 geschlossen und an die Stelle der Spülbohrungen 12 treten in der bekannten Art Spül- und Auslassschlitze 15.
Die 5 stellt ergänzend zur 3 einen mit Ventilen ausgestatteten Einkolbenmotor dar, welche nach dem Viertaktverfahren arbeitet. Dementsprechend entfallen alle Elemente der Spülluftbereitstellung und -einführung. Im Zylinderdeckel 13 sind anstelle von zwei Auslassventilen ein Auslassventil 14 und ein Einlassventil 16 angeordnet. Von der Linearmaschine 2 ist hierbei nicht nur die Energie für den Verdichtungshub aufzubringen, sondern auch diejenige für den Gaswechselprozess Ausschieben/Ansaugen. Von einem energiegewinnenden Arbeitshub sind demnach drei energieverbrauchende Hübe des Arbeitskolbens 5 zu speisen, wobei die Hübe Ausschieben/Ansaugen bei niedrigem Druckniveau ablaufen.
Die in 3 bis 5 dargestellten Einkolbenmotoren sind dabei ebenfalls mit den vorstehend genannten Merkmalen des DE 10026458 C2 bezüglich des ölfreien Betriebes der Arbeitskolben 5 und der Führungsbüchsen 7 ausgestattet.
Die 6 zeigt ein der 2 entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Linearmaschine 2 und eine Kolbenpumpe 3 an den Rumpfmotor 1 angekoppelt sind.
Auf der Kolbenstange 6 ist ein Hydraulikkolben 17 angeordnet, welcher in einem Hydraulikzylinder 18 spielarm eingepasst ist.
Beim Bewegen von Kolbenstange 6/Hydraulikkolben 17 wird in den Pumpenkammern 19; 19a wechselseitig Hydraulikmedium gefördert. Dazu sind die Pumpenkammern 19; 19a mit Einströmventilen 20 und Ausströmventilen 21 ausgestattet. Erfindungsgemäß können die Endlagen des Hydraulikkolbens 17 und damit des gesamten bewegten Systems 5; 6; 10; 17 auf hydraulischem Weg begrenzt und verstellt werden. Diese Begrenzung und Verstellung der Hubbewegung ist vor allem für den inneren Totpunkt des Arbeitskolbens 5 wichtig, weil hiermit die Verdichtung feststell- und einstellbar ist.
Auf der rechten Seite in 6 ist ein nicht verstellbarer hydraulischer Anschlag dargestellt. Wenn der Hydraulikkolben 17 die Ausströmbohrung 22 des Ausströmventils 21 überfahren hat, ist die Hubbewegung unter puffernder Zusammendrückung des Hydraulikmediums beendet.
Auf der linken Seite ist dieser hydraulische Anschlag verstellbar ausgebildet. Eine Schiebehülse 23 ist im Hydraulikzylinder 18 gelagert und besitzt eine Ausströmbohrung 22a.
Mit einer axialen Verstellung der Schiebehülse 23 ist auch die Ausströmbohrung 22a in Achsrichtung und damit der hydraulische Anschlag des bewegten Systems 5; 6; 10; 17 verstellbar.
Die Schiebehülse 23 kann beispielsweise mittels eines mit ihr fest verbundenen Stellbolzens 24, welcher in einer spiralförmigen Nut 25 des Hydraulikzylinders 18 geführt ist, axial verstellt werden. Sie kann aber auch auf hydraulischem Weg, z. B. durch Einspeisung eines Steuermediums in den Ringraum 26 gegen die Wirkung einer Druckfeder verstellt werden.
Die hydraulischen Anschläge des Hydraulikkolbens 17 können aber auch durch gesteuerte Ventile vor den Ausströmventilen 21 herbeigeführt werden, wie insgesamt das hydraulische System auch mit Zusammenführung der ein- und ausströmenden Teilmengen Variationen unterworden werden kann.
Wie die Linearmaschinen 2 selbst kann auch das Kolbenpumpensystem 3 dazu benutzt werden, die Bewegung des oder der Arbeitskolben 5, die nicht mehr der Kinematik eines Kurbeltriebes unterliegt, im Sinne eines optimalen Verbrennungsablaufes und einer hohen Effektivität zu steuern.

1: Rumpfmotor
2: Linearmaschine
3: Kolbenpumpe/Kolbenpumpensystem
4: Zylinder
5: Arbeitskolben
6: Kolbenstange
7: Führungsbüchse
8: Deckel
9: Stator
10: Anker
11: Dämpfungselement
12: Spülbohrungen
13: Zylinderdeckel
14: Auslassventil
15: Spül- und Auslassschlitze
16: Einlassventil
17: Hydraulikkolben
18: Hydraulikzylinder
19, 19a: Pumpenkammer
20: Einströmventil
21: Ausströmventil
22, 22a: Ausströmbohrung
23: Schiebehülse
24: Stellbolzen
25: Nut
26: Ringraum

In Betracht gezogene Druckschriftem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3627184 A1 [0002]
- DE 3708972 A1 [0002]
- DE 3645103 C2 [0002]
- DE 4115537 A1 [0002]
- DE 10026458 C2 [0005, 0007, 0017, 0022, 0028]
- DE 3645103 [0038]
- DE 3627184 [0038]
- DE 3708972 [0038]
- DE 3723948 [0038]
- DE 4115537 [0038]
- DE 20019406 [0038]
- DE 2436224 [0038]
- DE 2713548 [0038]
- DE 3843207 [0038]
- DE 4315046 [0038]
- DE 4413351 [0038]

Claims

Schadstoffarmer Verbrennungsmotor mit elektrischen Linearmaschinen und Kolbenpumpen, bei welchem die Energieerzeugung ohne Einschaltung umlaufender Elemente direkt an die Hubbewegung der Arbeitskolben gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der schadstoffarme Gegenkolben-Zweitaktmotor nach DE 10026458 C2 oder ein ebenso schadstoffarm ausgebildeter Einkolbenmotor der Zwei- oder Viertaktbauart (1) unter Wegfall der Kurbelwellen und Pleuelstangen mit direkt an die Arbeitskolben (5) angeordneten Linearmaschinen (2) und/oder Kolbenpumpen (3) ausgestattet ist.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gegenkolbenmotor nach DE 10026458 C2 (1) der Synchronlauf der Arbeitskolben (5) durch die Linearmaschinen (2) gewährleistet ist.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen Motorvarianten die Ausführung des Zylinders (4), der Arbeitskolben (5) und der Führungsbüchsen (7) durch die entsprechenden Mittel des DE 100264580 C2 einen ölfreien Betrieb gestattet.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dämpfungselemente (11) die Endlagen des im Stator (9) bewegten Ankers (10) bestimmt sind, wobei die Dämpfungselemente (11) die Rückführung des bewegten Systems (5; 6; 10; 17) durch geeignete Mittel unterstützen.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpen (3) die Arbeitsweise der Dämpfungselemente (11) in Bezug auf die Positionierung des bewegten Systems (5; 6; 10; 17) ergänzen, derart, dass ein im Hydraulikzylinder (18) geführter Hydraulikkolben (17) durch Überfahren einer Ausströmbohrung (22) einen hydraulischen Anschlag erfährt.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Hydraulikzylinder (18) gelagerten und axial ein- und feststellbaren Schiebehülse (23) eine Ausströmbohrung (22a) und damit der hydraulische Anschlag des bewegten Systems (5; 6; 10; 17) verstellbar ist.
Schadstoffarmer Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmaschinen (2) und/oder das Kolbenpumpensystems (3) die Bewegung der Arbeitskolben (5) im Verdichtungs- und Arbeitshub durch geeignete elektrisch/elektronische, hydraulische und/oder pneumatische Mittel im Sinne eines optimalen Verbrennungsablaufes steuern.