DE19738375A1

DE19738375A1 - Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator

Info

Publication number: DE19738375A1
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: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2017-09-04
Also published as: DE19738375C2

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).

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.

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.

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.

Die Schmierung des Freikolbenmotors erfolgt nicht wie bei anderen Zweitaktmotoren über die Verbrennungsluft, ist also somit keine Verlustschmierung.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Für die exakte Steuerung des Zündzeitpunktes (nur bei Benzinbetrieb) und des Kraftstoffeinspritzzeitpunktes ist das Bestimmen der genauen Lage des Kolbensystems zu jedem Zeitpunkt notwendig.

Dafür ist eine elektrooptische Messungsanordnung (Patentanspruch 5) angebracht, die zur Distanzmessung moduliertes Licht verwendet.

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.

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.

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

- sehr guter Spüleffekt der Brennkammern durch die Zuführung von vorverdichteter Verbrennungsluft
- keine Verlustschmierung
- durch Kraftstoffdirekteinspritzung und den nicht vorhandenen Schmieröl in der Verbrennungsluft ergeben sich in Verbindung mit einem Dreiwegekatalysator (Benzinbetrieb), oder Oxidationskatalysator (Dieselbetrieb) sehr gute Abgaswerte
- keine Umwandlung von linearen Bewegungen in Drehbewegungen, dadurch geringerer Verbrauch
- Zweitaktverfahren ohne Spülverluste, dadurch geringerer Verbrauch
- keine viertaktüblichen Ein- und Auslaßventile, kein Ventiltrieb notwendig, dadurch weniger Reibungsverluste
- keine Kurbelwelle und deren Kugel- oder Walzenlager notwendig
- keine drehbaren 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.

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

Diese wären z. B. der Einsatz in Hybridfahrzeugen, wo das System den Akkumulator versorgt.

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.

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 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.

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.

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.

4. Zweitaktfreikolbenmotorbetriebener Linearstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr in die Brennkammer jeweils über ein elektromagnetisches Direkteinspritzungsventil erfolgt.

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.