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1. (WO2010118738) FREE-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE HAVING INTERMITTENT FREE-PISTON LOCK
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Freikoben- Brennkraftmaschine mit intermittierender Freikolbensperre

Beschreibung

Die im Folgenden beschriebenen Erfindung einer Freikolben- Brennkraftmaschine mit intermittierender Freikolbensperre (im Folgenden „Freikolbenmotor") betrifft eine neuartige Topologie und Wirkungsweise eines Verbrennungsmotors.

Die Erfordernis einer weiteren Einsparung von Kraftstoff und Emissionen bei der Wandlung von chemischer in mechanische Energie zwingt zu einer neuen Gewichtung der Vor- und Nachteile des Freikolbenprinzips in Brennkraftmaschinen gegenüber den etablierten Hubkolbenmotoren mit Kurbeltrieb (im Folgenden „Kurbelmotor").

Gerade im unteren Leistungsbereich fällt der mechanischen Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen auf oftmals unwirtschaftliche Werte.

Mit der hier vorgestellten Erfindung wird der thermodynamische Vorteil einer Brennkraftmaschine nach dem Freikolbenprinzip mit einer Leistungsabnahme in Form gleichförmiger Rotationsbewegung verbunden. Der kontinuierlichen und drehzahlabhängigen Bewegung der Kurbelkolben ist ein durch eine Stillstandsphase unterbrochenes Arbeitsspiel der Freikolben zugeordnet, wobei durch die gemeinsam modulierte Gasfeder sowohl eine wünschenswerte Freikolbentrajektorie als auch eine Leistungsabnahme am Kurbeltrieb realisiert wird.

Innerhalb eines Arbeitsspiels der Freikolben resultiert im Brennraum ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Zweitakt- Otto- Prinzip mit maximalem Verdichtungsverhältnis und sehr schneller Expansion des heißen Brenngases nach der Zündung.

Weitere Vorzüge des Freikolbenmotors gegenüber dem Kurbelmotor bestehen in der Verbesserung des Gasladungswechsels nach dem Zwei- Takt- Prinzip und einer Entlastung des Kurbeltriebs von den enormen Druckspitzen zum Zündungszeitpunkt.

Der Freikolbenmotor verspricht die meisten Vorteile, wo Motoren kleinster Leistung mit hoher Laufleistung zum Einsatz kommen. Für den Einsatz in Mikro- BHKW- Anlagen (Stromerzeugende Heizung) ergibt sich ein riesiges Marktpotential, welches mit der heutigen Technik (rund 20% elektrischer Wirkungsgrad) nicht den Durchbruch schafft.

Als Brennkraftmaschine in Hybrid- Fahrzeugen könnte der Freikolbenmotor ein mobiles

Anwendungsfeld erschließen.

ERSATZBLATT (REGEL 26) Stand der Technik

In der Patentliteratur findet sich eine Reihe von Brennkraftmaschinen in Freikolbenausführungen mit Lineargenerator (z.B. WO 2004/022946 A1 oder

DE 102 19 549 B4). Der Nachteil dieser Freikolbenmotore gegenüber einem klassischen Hubkolbenmotor besteht in der Notwendigkeit, die axiale Kolbenführung über ein gesamtes Arbeitsspiel zu kontrollieren. Es sind hier weder die Totpunkte der Kolbenauslenkung, noch die Rückführung des Kolbens in die obere Totpunktstellung durch eine Kurbelwelle festgelegt. Auch ist die Leistungsabnahme nicht in der bequemen Form von gleichförmiger Rotationsbewegung möglich.

In der Patentschrift US 2004/0035377 A1 wird eine „Two-Stroke Cycle, Free Piston, Shaft Power Engine" vorgestellt. Nach Beendigung des effektiven Arbeithubs durch einen Kurbelkolben-Federelement-Freikolben-Verbund löst sich unter der Wirkung dieses Federelements ein Freikolben vom Kurbelkolben, dessen Oberseite das Abgas austreibt und dessen Unterseite Frischluft ansaugt. Während dieser Phase gibt der Kurbelkolben die Einlassschlitze für die Ansaugluft frei. Anschließend verdichtet der Kurbelkolben die Frischluft auf seinem Weg zum oberen Totpunkt und spannt das Federelement zwischen Frei- und Kurbelkolben. Dabei wird die Frischluft durch den Freikolben hindurch in den eigentlichen Brennraum oberhalb des Freikolbens gerückt. Ein umgekehrter Gasdurchtritt (von Abgas zu Frischluft) wird durch Klappen im Freikolben verhindert.

Intention dieser US-Patentschrift ist die Nutzung der Drehphase der Kurbelwelle um den unteren Totpunkt des Kurbelkolbens mit seiner dort geringen Geschwindigkeit für einen räumlich getrennten Gasladungswechsel. Insbesondere hat das Arbeitsgas während der Expansion keine Möglichkeit sich schneller auszudehnen, als es die Bewegung des Kurbelkolbens gestattet.

In einer weiteren Patentschrift US006035814A wird ein Freikolben mit einem Hubkolben in einer Brennkraftmaschine kombiniert. Der Brennraum befindet sich dabei zwischen Hubkolben und Freikolben. Nach der Zündung des Brennstoffgemisches bewegt sich der Freikolben zunächst gegenläufig zum Hubkolben gegen einen Rückfederraum. Damit verlässt er seinen Ventilsitz und es strömt, durch den geringeren Durchmesser des Freikolbens als der des Zylinders, Brenngas in diesen Rückfederraum. Dieses Zwischenspeichern von Brenngas durch Druckausgleich zwischen Brennraum und Rückfederraum dürfte den Wirkungsgrad jedoch negativ beeinflussen. Als ein Vorteil wird die bauartbedingte Absicherung gegen unerwünschte Selbstentzündung des Brennstoffgemischs genannt, da der Freikolben und der Rückfederraum eine obere Druckbegrenzung bei der Kompression des Brennstoffgemischs gewährleisten.

In der Patentschrift DE 10 2007 017 033 B3 wird ein Freikolbenmotor mit Kurbeltrieb vorgestellt, in dem, ebenso wie hier, ein Freikolben- Gasfeder- System zwischen Brennraum und Kurbelkolben eingefügt ist.

Statt durch eine frei steuerbare Sperrvorrichtung wird dort die Zuordnung der Freikolben-Trajektorie zu den Kurbelkolben durch die Zündung ausgelöst. Das Brenngas eines gemeinsamen Brennraumes bescheunigt aus einem zentralen mittleren Anschlag heraus gegenläufig ein Frei-Gegenkolbenpaar, wobei das Brenngas außerhalb des Brennraumes vorverdichtet wurde.

Durch eine Rückverdichtung und Überdruckausstoßung des Brenngases werden die Freikolben in ihrer Rückbewegung zum inneren Totpunkt abgebremst.

Topologie und Prinzip eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors

Eine Variante eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors mit gutem Massenausgleich und kompakter Bauweise ist in Abb.1 dargestellt.

Die beiden Kurbelkolben (2) eines gleichmäßig umlaufenden Kurbeltriebs in Boxer-Ausführung stehen in Wechselwirkung mit zwei baugleichen Gasfederräumen (4), welche ebenso von je einem der beiden gegenläufigen Freikolben (1 ) begrenzt werden.

Die Freikolben verfügen über aus den Zylinderstirnseiten herausragenden und gegen diese abgedichtete Schubstangen (5), durch welche sie mittels einer Sperrvorrichtung (6) fixiert werden können. Während dieser Fixierung (6B) in ihren Äußeren Totpunkten (AT) erfolgen im ruhenden, maximal ausgedehnten Brennraum (3) der Gasaustausch und die Gemischbildung.

Nach Beendigung des Ladungswechsels beginnt durch die Freigabe der Kolbensperre (6A) die Flugphase der Freikolben, bestehend aus Brenngasverdichtung, Selbstzündung im Inneren Totpunkt (IT) und Rückflug zu den Äußeren Totpunkten. Der Zeitpunkt der Kolbenfreigabe ist dabei mit allen anderen Einflussparametern dermaßen abgestimmt, dass einen gute Betriebsführung, ein maximaler Wirkungsgrad und eine hohe Regelstabilität gewährleistet sind.

Vorteile eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors

Abb.3 zeigt die Wandlung des idealen Druck- Volumenverlaufs des Brenngases in den Verlauf von Gasfederdruck und Volumenänderung der Kurbelkolben durch die zwischengeschalteten Freikolben. Die Belastungsspitze des Kurbeltriebes ist in einem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor gegenüber einem konventionellen Kurbelmotor deutlich verringert, wobei die Druckänderung auf die Kurbelkolben durchgehend stetig und weniger steil verläuft.

Während sich das p-V- Diagramm des Brennraumes im Freikolbenmotor (links in Abb.3) exakt mit dem eines vergleichbaren Kurbelmotors deckt, offenbart Abb.4 den enormen Geschwindigkeitsunterschied mit dem diese Kurve im Hochtemperaturbereich durchlaufen wird.

Im Freikolbenmotor wird 25 Grad Kurbelwinkel nach der Zündung schon eine Entspannung des Brenngases auf 5 bar (gestrichelte Linie in Abb.4) erreicht. Der konventionelle Kurbelmotor benötigt dafür rund 90 Grad. Noch asymmetrischer wird die Betrachtung im Bereich höherer Drücke und Temperaturen. 25 Grad Kurbelumdrehung nach der Zündung hat sich der Brennraumdruck im Kurbelmotor gerade auf 40 bar halbiert. Der Freikolben benötigt dafür mit rund 5 Grad Kurbelumdrehung nur ein Fünftel dieser Zeit.

In diesen Zahlenwerten zeigt sich die deutliche Überlegenheit des Freikolbenmotors im Gütegradminderungsgrund „Wandungsverluste" gegenüber dem konventionellen Kurbelmotor. Das extrem heiße Brenngas staut sich nun nicht mehr unnötig lange hinter den zwangsgeführten Kurbelkolben und überträgt nur ein Bruchteil der Wärme wie im Kurbelmotor auf Kolben und Zylinderwand.

Dabei profitiert der Kurbeltrieb erst später von dieser schnellen Volumenarbeit des Brenngases. Vorerst wird diese als kinetische Energie der Freikolben zwischengespeichert.

Durch eine mögliche Selbstentzündung des Brenngemisches wird zum einen immer die maximale Verdichtung und damit der höchstmögliche thermodynamische Wirkungsgrad erreicht, zum anderen führt der so idealisierte Gleichraum- Prozess und die anschließend deutlich schnellere initiale Brenngasausdehnung zu entsprechend geringeren Wärmeverlusten und einer Annäherung des realen Prozesses an den idealen Vergleichsprozess.

Die Erfordernis einer nichtschlagartigen Verbrennung wie im konventionellen Kurbelmotor entfällt, da die Spitzenbelastungen auf die Freikolben nicht begrenzt ist.

Der mögliche Betrieb mit sehr magerem und homogenem Brennstoffgemisch gewährleistet darüber hinaus eine minimale Schadstoffproduktion.

Vorteile im Überblick

• Maximales Verdichtungsverhältnis für höchstem thermodymamischen Wirkungsgrad

• Besserer Gütegrad durch Verringerung der Wandungs- und Durchblasverluste

• Entlastung des Kurbeltriebes

• Extrem magerer Betrieb möglich

• Senkung der NOx-, CO- und HC- Produktion

• Trennung von thermisch belastetem Freikolben und querbelastetem Kurbeltrieb

• 2-Takt-Prinzip ohne Spülverluste

• Betrieb mit beliebigen gasförmigen und flüssigen Brennstoffen möglich

Die Arbeitsphasen des Freikolben- Motors

Abb.5 zeigt die Positionen der Kolben in ihren Totpunkten und die Zuordnung der Freikolbenphasen durch die Sperrvorrichtungen zu den kontinuierlich umlaufenden Kurbelkolben.

Während der gesamten Einwärts- Bewegung der Kurbelkolben (0 - 180*) sind die Freikoben in Ihren Äußeren Totpunkten gesperrt. Es resultiert eine adiabate Entspannung der durch die Freikolben gespannten Gasfeder durch die Kurbelkolben und eine hohe Arbeitsabnahme an denselben. Im Brennraum erfolgt zeitgleich der Gasladungswechsel.

Bei rund 190° werden die Freikolben freigegeben und durch den höheren Druck in der Gasfeder gegenüber dem Brennraum nach innen beschleunigt (Phase B1). Gegen Ende von B1 kehrt sich das Druckverhältnis in Brennraum und Gasfeder um und die Freikolben werden auf ihrem Weg nach innen abgebremst. Sie laufen durch ihre kinetische Energie noch weiter bis zu ihren Inneren Totpunkten, in denen die Selbstentzündungstemperatur des Brenngases erreicht wird und das Brenngemisch schlagartig verbrennt. Dies zeigt sich in einem nochmaligen Anstieg der ohnehin schon steilen Freikolben- Geschwindigkeitskurve bei einem Kurbelwinkel von rund 300° („Zündung" in Abb.6).

Das Wechselspiel von

Gasarbeit -→ kinetischer Energie → Gasarbeit erfolgt in der Rückflugphase analog dazu mit umgekehrten Vorzeichen bis zum Erreichen der Äußeren Totpunkte (AT). Durch die hohen Beschleunigungen in Phase B2 wird in sehr kurzer Zeit der gesamte Rückweg der Freikolben (letztes Flächenstück über der schwarzen Kurve in Abb.6) bewerkstelligt.

Während der Übergang von Phase A nach Phase B1 durch das kontrollierte Lösen der Kolbensperre bewusst gezielt gesteuert werden kann, ergibt sich der Übergang von B1 nach B2 und weiter nach A aus dem Zusammenspiel aller anderen Einflussparameter.

Kommen die Freikolben wieder zum Stillstand (Ende von B2), schließt sich deren Kolbensperre und ist ein Arbeitsspiel durchlaufen.

Die zugeführte Brennstoffmenge bestimmt dabei, ob die Äußeren Totpunkte vor einer Flugphase nach einer Flugphase durch die Freikolben wieder genau getroffen werden (stationärer Betrieb), überlaufen (zunehmendes Drehmoment) oder nicht erreicht werden (abnehmendes Drehmoment).

Der Rückhub der Kurbelkolben (Auswärtsbewegung, 180 - 36CO erfolgt gegenüber der Einwärts- Bewegung gegen einen verringerten Druck der Gasfeder, da sich die Freikolben während dieser Phase zwischen ihren Totpunkten befinden und somit die Gasfeder gegenüber ihrer äußeren Totpunktlage entspannen.

Es resultiert zu Beginn des Rückhubes eine Verschiebung der Gasfeder, was sich in einem fast plateauförmigen Druckverlauf der Gasfeder zeigt (unterer Linienzug für „Kurbelkolben" in Abb.4).

Über den Gasfederdruck, die Öffnungszeit der Freikolbensperre und weitere regelbare Einflussparameter wird eine gute Betriebsführung des Freikolbenmotors in einem definierten Drehzahl- Last- Kennfeld gewährleistet. Darüber hinaus kann über diese Einflussparameter die Anforderung einer synchronen und mittigen Freikolbenbewegung des korrespondierenden Freikolbenpaares erfüllt werden.