DE10028738A1

DE10028738A1 - Free piston engine with spring mass system has two springs between housing and piston unit acting contrary to each other for better energy efficiency

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Publication number: DE10028738A1
Application number: DE2000128738
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2002-08-29

Abstract

The free piston engine is a twin-piston engine with two burner chambers (8, 9) and two pistons (6, 7) connected together through a piston rod (12) to form a piston unit and the mass of the spring mass system. A further spring (17) between the housing (1) and piston unit acts contrary to the first spring (16) which is mounted between the housing and piston.

Description

Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit einem Feder-Masse-System, mit einem Gehäuse und zumindest einem in dem Gehäuse gelagerten Kol ben, wobei eine Feder zwischen dem Gehäuse und dem Kolben angeordnet ist und der Kolben die Masse des Feder-Masse-Systems bildet.The invention relates to a free-piston engine with a spring-mass system, with a housing and at least one Kol stored in the housing ben, with a spring arranged between the housing and the piston and the piston forms the mass of the spring-mass system.

Ein derartiger Freikolbenmotor ist beispielsweise aus der DE 197 43 776 A1 bekannt. Der dort offenbarte Freikolbenmotor weist ein elastisches Element auf, das den Kolben zum Verdichten in die Brennkammer drückt. Dieses ela stische Element nimmt während der Expansion einen Teil der Verbren nungsenergie auf, speichert sie als Kompressionsarbeit und gibt sie während des Verdichtens wieder ab. Der Nachteil eines derartigen Freikolbenmotors ist jedoch, dass die bei der Verbrennung frei werdende Energie nicht nur dafür aufgewendet werden muss, um den Kolben zu beschleunigen, sondern auch, um das elastische Element zu komprimieren. Dieses führt dazu, dass gerade unmittelbar nach der Zündung des Gemisches in der Brennkammer ein Großteil der entstehenden Energie nicht in kinetische Energie umgewan delt werden kann, sondern als thermische Energie in die Wandung der Brennkammer transportiert wird. Der Wirkungsgrad des Freikolbenmotors ist daher nicht befriedigend.Such a free-piston engine is, for example, from DE 197 43 776 A1 known. The free-piston engine disclosed there has an elastic element that pushes the piston into the combustion chamber to compress it. This ela The element takes part of the burn during expansion energy, stores it as compression work and releases it during of compression again. The disadvantage of such a free-piston engine is, however, that the energy released during combustion is not only must be used to accelerate the piston, but also to compress the elastic element. This leads to the fact that just immediately after the mixture is ignited in the combustion chamber much of the energy generated is not converted into kinetic energy delt, but as thermal energy in the wall of the Combustion chamber is transported. The efficiency of the free-piston engine is therefore unsatisfactory.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Freikolbenmotor vorzuschlagen, welcher einen günstigen Wirkungsgrad hat. Ein weiteres An liegen der Erfindung ist es, die Steuerung eines Freikolbenmotors so zu ver einfachen, dass eine aufwendige Umsteuerung von Ventilen nicht notwendig ist.The invention is therefore based on the object of a free-piston engine propose which one has a favorable efficiency. Another thing lie the invention is to ver the control of a free piston engine simple that a complex changeover of valves is not necessary is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Freikolben motor ein Doppelkolbenmotor mit zwei Brennkammern und zwei Kolben ist, die über eine Kolbenstange miteinander verbunden sind und so eine Kol beneinheit und die Masse des Feder-Masse-Systems bilden, und dass eine weitere Feder zwischen dem Gehäuse und der Kolbeneinheit angeordnet ist, die konträr zu der ersten Feder wirkt.This object is achieved in that the free piston engine is a double-piston engine with two combustion chambers and two pistons, which are connected to each other via a piston rod and thus a Kol ben unit and the mass of the spring-mass system form, and that one another spring is arranged between the housing and the piston unit, which works contrary to the first spring.

Das Feder-Masse-System des Freikolbenmotors, welches aus den beiden Federn und der Kolbeneinheit gebildet wird, ist ein Schwinger, bei dem Ener gie als Kompressionsarbeit in den Federn oder aber als kinetische Energie in der Bewegung der Kolbeneinheit gespeichert ist. Die Kolbeneinheit kann sich bei Vernachlässigung einer Dämpfung, sobald sie einmal erregt ist, kon tinuierlich zwischen den beiden Endlagen bewegen. Befindet sich jedoch die Kolbeneinheit in einer der beiden Endlagen, so ist das Gemisch in der jewei ligen Brennkammer verdichtet und wird gezündet. Die bei der Verbrennung frei werdende Energie wird zum Teil in kinetische Energie umgewandelt und die Kolbeneinheit wird in Richtung der anderen Endlage beschleunigt. Ein anderer Teil der frei werdenden Energie wird in thermische Energie umge wandelt und als Wärme über das Gehäuse des Freikolbenmotors abgeführt. In dem Moment der Zündung wirken also die komprimierte Feder und die Verbrennung gleichzeitig auf die Kolbeneinheit. Dieses führt zu einer schnelleren Beschleunigung der Kolbeneinheit, was den Vorteil mit sich bringt, dass mehr der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in kineti sche Energie umgesetzt werden kann und weniger der bei der Verbrennung frei werdenden Energie in thermische Energie umgesetzt wird, welche als Wärme über das Gehäuse abgeführt wird. Der Wirkungsgrad eines derarti gen Freikolbenmotors ist daher höher als der bisher bekannten Freikolben motoren.The spring-mass system of the free-piston engine, which consists of the two Springs and the piston unit is formed, is a vibrator in which ener gie as compression work in the springs or as kinetic energy in the movement of the piston unit is stored. The piston unit can neglecting a damping, once it is excited, kon move between the two end positions. However, there is the Piston unit in one of the two end positions, the mixture is in the respective Combustion chamber compressed and ignited. The one when burning released energy is partly converted into kinetic energy and the piston unit is accelerated in the direction of the other end position. On other part of the energy released is converted into thermal energy converts and dissipated as heat via the housing of the free-piston engine. At the moment of ignition, the compressed spring and the act Combustion on the piston unit at the same time. This leads to one faster acceleration of the piston unit, which has the advantage brings that more of the energy released during combustion in kineti cal energy can be converted and less that during combustion released energy is converted into thermal energy, which as Heat is dissipated through the housing. The efficiency of such a Free piston engine is therefore higher than the previously known free piston Engines.

Gemäß der Erfindung können zu der ersten und der zweiten Feder jeweils weitere Federn parallel geschaltet sein, die mit der ersten bzw. der zweiten Feder Federsätze bilden. Derartige Federsätze können Vorteile bei der Kon struktion des Freikolbenmotors bieten und haben darüber hinaus den Vorteil, dass beim Bruch einer Feder nicht unmittelbar die gesamte Federkraft verlo ren geht, wie es im Falle der Verwendung jeweils einer Feder wäre.According to the invention, the first and second springs can each further springs can be connected in parallel, with the first or the second Form spring sets of springs. Such sets of springs can have advantages in the Kon structure of the free-piston engine and also have the advantage that if a spring breaks, the entire spring force is not immediately lost ren, as it would be in the case of the use of a spring.

Vorteilhaft haben die konträr gegeneinander wirkenden Federn bzw. Feder sätze eine gleiche Federkonstante und/oder sie sind mit einer gleichen Kraft vorgespannt.The oppositely acting springs or springs are advantageous set the same spring constant and / or they have the same force biased.

Der Freikolbenmotor kann erfindungsgemäß ein Motor nach dem Stelzer- Prinzip sein und innen liegende Brennkammern haben, wobei dann die Fe dern an den äußeren Flächen der beiden Kolben anliegen.According to the invention, the free-piston engine can be an engine based on the stilt Be principle and have internal combustion chambers, where then the Fe rest on the outer surfaces of the two pistons.

Ferner ist es möglich, dass der Freikolbenmotor außen liegende Brennkam mern hat und die Federn an den Innenseiten der Kolben anliegen.It is also possible for the free-piston engine to have an external combustion chamber and the springs rest against the inside of the pistons.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Federkräfte groß gegenüber den bei der Verbrennung entstehenden Expansionskräften. Eine derartige Auswahl der Federn bzw. des Feder-Masse-Systems hat den Vorteil, dass die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems dem Freikolbenmotor aufge prägt wird. Damit ist eine einfache Hubsteuerung des Freikolbenmotors mög lich. Vorteilhaft hat das Feder-Masse-System eine Eigenfrequenz von 50 Hz. Diese Frequenz entspricht der Frequenz im öffentlichen Stromnetz und der Freikolbenmotor kann erfindungsgemäß als Generator genutzt werden. Dazu hat die Kolbeneinheit vorteilhaft einen Permanentmagneten oder eine Erregerwicklung und die Kolbeneinheit bildet so den Läufer einer 2-Phasen-Syn chronmaschine. Ferner weist das Gehäuse die Kolbeneinheit einschließen der Wicklungen auf und das Gehäuse bildet so den Ständer der Synchron maschine. Durch wechselseitige Strombeschaltung der 2-Phasen-Syn chronmaschine kann der Freikolbenmotor gestartet werden.In a preferred embodiment, the spring forces are large the expansion forces arising during combustion. Such Selection of the springs or the spring-mass system has the advantage that the natural frequency of the spring-mass system on the free-piston engine is shaped. This enables simple stroke control of the free-piston engine Lich. The spring-mass system advantageously has a natural frequency of 50 Hz. This frequency corresponds to the frequency in the public power grid and the Free piston engine can be used according to the invention as a generator. To the piston unit advantageously has a permanent magnet or an excitation winding and the piston unit thus forms the rotor of a 2-phase syn chronmaschine. The housing further includes the piston unit the windings on and the housing thus forms the stand of the synchronous machine. By mutual current connection of the 2-phase syn The free piston engine can be started on the chron machine.

Erfindungsgemäß kann der Freikolbenmotor als Alternative zu dem be schriebenen Generator einen anderen Generator aufweisen. Dazu ist dann auf der Kolbenstange ein Mitnehmer angebracht, an bzw. in dem die Kurbel zumindest eines Elektromotors eingreift. Durch die Bewegung des Mitneh mers führt die Kurbel eine unkomplette Links-Rechts-Drehbewegung aus, was zu einer Relativbewegung von Läufer und Ständer in dem Elektromotor und so zu einer Spannungsinduktion führt. Durch die Anbringung von Aus gleichsgewichten an der Welle des Elektromotors ist dabei eine Auswuch tung der gesamten Freikolbenmaschine möglich.According to the free piston engine as an alternative to be written generator have another generator. Then this is a driver is attached to the piston rod, on or in which the crank engages at least one electric motor. By moving it mers the crank performs an incomplete left-right rotation, resulting in a relative movement of the rotor and the stator in the electric motor and thus leads to a voltage induction. By attaching Aus Equilibrium on the shaft of the electric motor is a balance tion of the entire free piston machine possible.

Außerdem kann gemäß der Erfindung der Freikolbenmotor mit einem Wär metauscher verbunden werden und die Entlüftungsleitungen in den Brenn kammern sind an den Wärmetauscher angeschlossen. Dadurch kann die thermische Energie weiter genutzt werden und der gesamte Wirkungsgrad der Maschine erhöht sich weiter.In addition, according to the invention, the free-piston engine with a heat Metauscher are connected and the ventilation lines in the burner chambers are connected to the heat exchanger. This allows the thermal energy can be used and the overall efficiency the machine continues to increase.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiter gelöst durch eine Steuerungseinrich tung für die Frequenzsteuerung der Hubfrequenz eines Doppelkolben-Frei kolbenmotors, wobei diese Steuerungseinrichtung durch ein Feder-Masse- System gebildet wird. Die Kolben des Freikolbenmotors bilden zumindest einen Teil der Masse des Feder-Masse-Systems, und die Federn des Feder- Masse-Systems sind einerseits mit dem Gehäuse des Freikolbenmotors und andererseits mit der Masse verbunden, wobei die Eigenfrequenz des Feder- Masse-Systems der mit der Frequenzsteuerung zu erreichenden Hubfre quenz entspricht.The object of the invention is further achieved by a control device device for frequency control of the stroke frequency of a double piston free piston engine, this control device by a spring-mass System is formed. The pistons of the free-piston engine at least form part of the mass of the spring-mass system, and the springs of the spring Mass systems are on the one hand with the housing of the free piston engine and on the other hand connected to the mass, the natural frequency of the spring Mass system of the Hubfre to be achieved with the frequency control quenz corresponds.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigtAn embodiment is described in more detail with reference to the drawing. In it shows

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Freikolbenmotor, Fig. 1 shows a free-piston engine according to the invention,

Fig. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm, der wichtigsten in dem Freikolbenmotor gemäß Fig. 1 auftretenden Kräfte und Fig. 2 is a force-displacement diagram, the most important forces occurring in the free-piston engine according to FIG. 1 and

Fig. 3 eine Darstellung eines Generators, wie er in einem Freikolbenmotor eingesetzt werden kann. Fig. 3 is an illustration of a generator as it can be used in a free-piston engine.

Dieser Freikolbenmotor ist ein Verbrennungskraftmotor. Der Freikolbenmotor ist symmetrisch aufgebaut. Er besitzt ein Gehäuse 1, in dem sich zwei gleich artige Kammern 2, 3 befinden. Die eine 2 befindet sich am linken Ende des Gehäuses, die andere 3 am rechten Ende. Jede Kammer 2, 3 ist durch eine Trennwand 4, 5, die eine Öffnung 36, 37 besitzt, zum mittleren Teil des Mo tors hin begrenzt. In den Kammern 2, 3 sind zwei Kolben 6, 7 in axialer Richtung verschiebbar gelagert. Diese Kolben 6, 7 teilen die Kammern 2, 3 variabel in eine äußere Brennkammer 8, 9 und eine innere Vorverdichtungs kammer 10, 11. Die beiden Kolben 6, 7 sind fest über eine Kolbenstange 12 miteinander verbunden, welche abgedichtet durch die Öffnungen 36, 37 der Trennwände 4, 5 geführt wird, und die Kolben 6, 7 bilden mit der Kolben stange 12 eine Kolbeneinheit 6, 7, 12. In der Mitte der Kolbeneinheit 6, 7, 12 ist ein Permanentmagnet 13 angeordnet. Die Nord-Süd-Achse des Perma nentmagneten 13 verläuft parallel zur Längsachse der Kolbeneinheit 6, 7, 12. Im Gehäuse 1 sind zwei gleiche Spulen 14, 15 angeordnet. Bei der Mittel stellung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 befindet sich die eine 14 auf Höhe des Nordpols des Permanentmagnets 13, die andere 15 auf Höhe des Südpols. Im linken Teil des Motors ist zwischen der Trennwand 4 und dem mittleren Teil der Kolbeneinheit 6, 7, 12 eine Feder 16 eingesetzt. In gleicher Weise befindet sich eine Feder 17 im rechten Teil des Motors. Beide Federn 16, 17 besitzen die gleichen Federkonstanten und sind mit der gleichen Kraft auf Druck vorgespannt, wodurch sich im Stillstand eine definierte Mittellage der Kolbeneinheit ergibt. Aus dieser Mittellage kann der Freikolbenmotor durch Beschaltung der Spulen 14, 15 dann gestartet werden.This free piston engine is an internal combustion engine. The free piston engine is constructed symmetrically. It has a housing 1 in which there are two identical chambers 2 , 3 . One 2 is at the left end of the case, the other 3 is at the right end. Each chamber 2 , 3 is delimited by a partition 4 , 5 , which has an opening 36 , 37 , towards the central part of the motor. In the chambers 2 , 3 , two pistons 6 , 7 are mounted displaceably in the axial direction. These pistons 6 , 7 divide the chambers 2 , 3 variably into an outer combustion chamber 8 , 9 and an inner precompression chamber 10 , 11 . The two pistons 6, 7 are firmly joined together via a piston rod 12 which is sealed by the openings 36, 37 of the partition walls 4, 5 is guided, and the pistons 6, 7 form, with the piston rod 12 a piston unit 6, 7, 12 , A permanent magnet 13 is arranged in the center of the piston unit 6 , 7 , 12 . The north-south axis of the permanent magnet 13 runs parallel to the longitudinal axis of the piston unit 6 , 7 , 12 . Two identical coils 14 , 15 are arranged in the housing 1 . In the middle position of the piston unit 6 , 7 , 12 is one 14 at the level of the north pole of the permanent magnet 13 , the other 15 at the level of the south pole. In the left part of the engine, a spring 16 is inserted between the partition 4 and the middle part of the piston unit 6 , 7 , 12 . In the same way there is a spring 17 in the right part of the engine. Both springs 16 , 17 have the same spring constants and are pretensioned with the same force under pressure, which results in a defined central position of the piston unit when stationary. The free-piston engine can then be started from this central position by connecting the coils 14 , 15 .

Jede der beiden Kammern 2, 3 besitzt eine Einlassöffnung 18, 19 im Bereich der Vorverdichtungskammer 10, 11, eine Auslassöffnung 20, 21 im Bereich der Brennkammer 8, 9 und einen Überströmkanal 22, 23, mit welchem die Vorverdichtungskammer 10, 11 und die Brennkammer 8, 9 verbindbar sind.Each of the two chambers 2 , 3 has an inlet opening 18 , 19 in the region of the precompression chamber 10 , 11 , an outlet opening 20 , 21 in the region of the combustion chamber 8 , 9 and an overflow channel 22 , 23 with which the precompression chamber 10 , 11 and the combustion chamber 8 , 9 are connectable.

Der Freikolbenmotor arbeitet wie folgt:
Befindet sich die Kolbeneinheit 6, 7, 12 in der linken Endstellung, so befindet sich frisches Gemisch sowohl in der linken Brennkammer 8, als auch in der linken Vorverdichtungskammer 10. Die Einlassöffnung 18 der linken Brenn kammer 8 ist geöffnet, die Auslassöffnung 20 ist durch den Kolben 6 ver schlossen. Das Gemisch in der linken Brennkammer 8 ist verdichtet und wird gezündet. Durch den entstehenden Druck wird der linke Kolben 6 und damit die gesamte Kolbeneinheit 6, 7, 12 nach rechts beschleunigt. Dabei wird durch den Kolben 6 die Einlassöffnung 18 der linken Vorverdichtungs kammer 10 verschlossen und die Auslassöffnung 20 der Brennkammer 8 geöffnet, durch welche das durch die Verbrennung entstandene Abgas entweicht. Während der Kolben 6 sich zwischen den beiden Öffnungen des Überströmkanals 22 befindet, ist die linke Brennkammer 8 durch den Über strömkanal 22 mit der Vorverdichtungskammer 10 verbunden. Nach dem Prinzip der Umkehrspülung wird nun das Gemisch der linken Vorverdich tungskammer 10 über den Überströmkanal 22 in die Brennkammer 8 ge drückt und die Restabgase durch die Auslassöffnung 20 ausgeschoben. Gleichzeitig wird in der rechten Vorverdichtungskammer 11 über die geöff nete Einlassöffnung 19 frisches Gemisch angesaugt und das Gemisch in der rechten Brennkammer 9 verdichtet, bis die rechte Endstellung erreicht ist. Das Gemisch wird gezündet. Dadurch wird die Kolbeneinheit 6, 7, 12 nach links beschleunigt. Dabei wird in der linken Vorverdichtungskammer 10 über die Einlassöffnung frisches Gemisch angesaugt und das Gemisch in der linken Brennkammer 8 verdichtet, bis die Kolbeneinheit 6, 7, 12 die linke Endstellung wieder erreicht hat. Danach beginnt der Zyklus von vorne. Durch die Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten 13 und den Spulen 14, 15 wird in diesen eine Spannung induziert. Mit dieser Spannung können elektrische Verbraucher betrieben werden.The free piston engine works as follows:
If the piston unit 6 , 7 , 12 is in the left end position, there is fresh mixture both in the left combustion chamber 8 and in the left precompression chamber 10 . The inlet opening 18 of the left combustion chamber 8 is open, the outlet opening 20 is closed by the piston 6 ver. The mixture in the left combustion chamber 8 is compressed and ignited. The resulting pressure accelerates the left piston 6 and thus the entire piston unit 6 , 7 , 12 to the right. The inlet opening 18 of the left precompression chamber 10 is closed by the piston 6 and the outlet opening 20 of the combustion chamber 8 is opened, through which the exhaust gas produced by the combustion escapes. While the piston 6 is located between the two openings of the overflow channel 22, the left combustion chamber 8 is connected through the over flow channel 22 with the boost chamber 10 degrees. According to the principle of reverse purging, the mixture of the left pre-compression chamber 10 is now pressed via the overflow channel 22 into the combustion chamber 8 and the residual exhaust gases are pushed out through the outlet opening 20 . At the same time, fresh mixture is sucked into the right precompression chamber 11 via the inlet opening 19 and the mixture is compressed in the right combustion chamber 9 until the right end position is reached. The mixture is ignited. As a result, the piston unit 6 , 7 , 12 is accelerated to the left. Fresh mixture is sucked in through the inlet opening in the left precompression chamber 10 and the mixture is compressed in the left combustion chamber 8 until the piston unit 6 , 7 , 12 has reached the left end position again. Then the cycle begins again. A voltage is induced in the latter by the relative movement between the permanent magnet 13 and the coils 14 , 15 . Electrical loads can be operated with this voltage.

Nach dem Stand der Technik wird beim Freikolbenmotor die Kolbenbewe gung ausschließlich mit Hilfe der Verbrennungskräfte erzeugt. Beim hier dar gestellten Freikolbenmotor bilden die beiden Federn 16, 17 und die Kol beneinheit 6, 7, 12 ein Feder-Masse-System 6, 7, 12, 6, 7, 12 mit einer Ei genfrequenz von 50 Hz. Die Federn 16, 17 sind dabei so ausgelegt, dass die Federkräfte groß gegenüber den durch die Verbrennung entstehenden Kräfte sind. Daher kann das Feder-Masse-System 6, 7, 12, 16, 17 dem Frei kolbenmotor eine Hubfrequenz aufprägen. Die Zündungen erfolgen mög lichst günstig zur Lage des Feder-Masse-Systems 6, 7, 12, 16, 17, so dass die Kinematik des Feder-Masse-Systems 6, 7, 12, 16, 17 die Beschleunigung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 unterstützt.According to the prior art, the piston movement of the free-piston engine is generated exclusively with the aid of the combustion forces. In the free piston engine presented here, the two springs 16 , 17 and the piston unit 6 , 7 , 12 form a spring-mass system 6 , 7 , 12 , 6 , 7 , 12 with an egg frequency of 50 Hz. The springs 16 , 17 are designed so that the spring forces are large compared to the forces generated by the combustion. Therefore, the spring-mass system 6 , 7 , 12 , 16 , 17 can impress the stroke of the free piston engine. The ignitions take place as favorably as possible for the position of the spring-mass system 6 , 7 , 12 , 16 , 17 , so that the kinematics of the spring-mass system 6 , 7 , 12 , 16 , 17 accelerate the piston unit 6 , 7 , 12 supports.

Während sich die Kolbeneinheit 6, 7, 12 in der linken Endstellung befindet, ist die rechte Feder 17 entlastet und die linke Feder 16 gespannt. Bei Zündung des Gemisches in der linken Brennkammer 8 unterstützt die gespannte linke Feder 16 die Beschleunigung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 nach rechts. Wäh rend der Bewegung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 nach rechts wird die linke Fe der 16 entspannt und gleichzeitig die rechte Feder 17 gespannt, wobei die zunächst in der linken Feder 16 gespeicherte Energie nahezu vollständig in die rechte Feder 17 transportiert und dort gespeichert wird. Während der Bewegung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 findet also zwischen den Federn ein Energieaustausch statt, der in der Gesamtbilanz nach außen neutral ist. Nach Zündung des Gemischs in der rechten Brennkammer 9 unterstützt dann die rechte Feder 17 die Beschleunigung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 nach links. Das Zusammenwirken der Federkräfte und der Verbrennungs kräfte ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 ist die Kraft der linken Feder 16 mit F_F,l und der rechten Feder 17 mit F_F,r bezeichnet, während für die Kraft aus der Verbrennung in der linken Brennkammer 8 das Symbol F_B,l und für die Kraft aus der Verbrennung in der rechten Brennkammer 9 das Symbol F_B,r steht. Dadurch, dass die Federkräfte zum Zeitpunkt der Zündung in die gleiche Richtung wie die Verbrennungskräfte wirken, wird die Kolbeneinheit 6, 7, 12 schneller in Bewegung gesetzt als nach dem Stand der Technik. Deshalb wird bei der Verbrennung weniger Energie als Wärme abgegeben und die Energie wird zu einem größeren Teil als Bewegungsenergie frei, als ohne Einsatz der Federn 16, 17. Auf diese Art und Weise wird durch die Verwen dung der Federn 16, 17 der Wirkungsgrad des Freikolbenmotors verbessert.While the piston unit 6 , 7 , 12 is in the left end position, the right spring 17 is relieved and the left spring 16 is tensioned. When the mixture in the left combustion chamber 8 is ignited, the tensioned left spring 16 supports the acceleration of the piston unit 6 , 7 , 12 to the right. During the movement of the piston unit 6 , 7 , 12 to the right, the left spring 16 is relaxed and at the same time the right spring 17 is tensioned, the energy initially stored in the left spring 16 being almost completely transported into the right spring 17 and stored there , During the movement of the piston unit 6 , 7 , 12 , an energy exchange takes place between the springs, which is neutral to the outside in the overall balance. After ignition of the mixture in the right combustion chamber 9 , the right spring 17 then supports the acceleration of the piston unit 6 , 7 , 12 to the left. The interaction of the spring forces and the combustion forces is shown in Fig. 2. In Fig. 2, the force of the left spring 16 with F _{F, l} and the right spring 17 with F _{F, r} , while for the force from the combustion in the left combustion chamber 8, the symbol F _{B, l} and for the force the symbol F _{B, r} is from the combustion in the right combustion chamber 9 . Due to the fact that the spring forces act in the same direction as the combustion forces at the time of ignition, the piston unit 6 , 7 , 12 is set in motion faster than according to the prior art. Therefore, less energy than heat is released during the combustion and the energy is released to a greater extent as kinetic energy than without the use of the springs 16 , 17 . In this way, the efficiency of the free-piston engine is improved by the use of the springs 16 , 17 .

Fig. 3 zeigt einen Generator, der alternativ zu dem bisher beschriebenen Generator eingesetzt werden kann. Bei diesem Generator wird die lineare Bewegung der Kolbenheinheit 6, 7, 12 zunächst in eine rotatorische Bewe gung umgesetzt, bevor die elektrische Spannung erzeugt wird. Auf der Kol benstange 12 ist dazu ein Mitnehmer 24 befestigt. Dieser Mitnehmer 24 weist auf sich gegenüberliegenden Seiten je einen Schlitz 25 auf. In dieser Schlitze 25 greift jeweils eine Kurbel 26 ein, welche mit der Welle 27 eines an dem Gehäuse 1 befestigten Elektromotors 28 herkömmlicher Bauart verbunden ist. Durch die Hin- und Herbewegung der Kolbeneinheit 6, 7, 12 und somit auch des Mitnehmers 24 wird die Kurbel 26 um einen Rechts-Links-Winkel geschwenkt. Dadurch wird der mit der Welle 27 verbundene Läufer des Elektromotors 28 gegenüber dem Ständer des Elektromotors 28 gedreht, was eine Spannungsinduktion zur Folge hat. Fig. 3 shows a generator which can be used as an alternative to the generator described so far. In this generator, the linear movement of the piston unit 6 , 7 , 12 is first converted into a rotary movement before the electrical voltage is generated. On the Kol benstange 12 , a driver 24 is attached. This driver 24 has a slot 25 on opposite sides. A crank 26 engages in each of these slots 25 and is connected to the shaft 27 of an electric motor 28 of a conventional type fastened to the housing 1 . Due to the reciprocating movement of the piston unit 6 , 7 , 12 and thus also of the driver 24 , the crank 26 is pivoted through a right-left angle. As a result, the rotor of the electric motor 28 connected to the shaft 27 is rotated relative to the stator of the electric motor 28 , which results in voltage induction.

Claims

1. Free-piston engine with a spring-mass system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ) with a housing ( 1 ) and at least one piston ( 6 , 7 ) mounted in the housing ( 1 ), a spring ( 16 , 17 ) is arranged between the housing ( 1 ) and the piston ( 6 , 7 ) and the piston ( 6 , 7 ) forms the mass of the spring-mass system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ), characterized in that that the free-piston engine is a double-piston engine with two combustion chambers ( 8 , 9 ) and two pistons ( 6 , 7 ) which are connected to one another via a piston rod ( 12 ) and thus a piston unit ( 6 , 7 , 12 ) and the mass of the spring -Mass system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ) and that a further spring ( 17 ) between the housing ( 1 ) and the piston unit ( 6 , 7 , 12 ) is arranged, which is opposite to the first spring ( 16 ) works.

2. Free-piston engine according to claim 1, characterized in that the first ( 16 ) and the second ( 17 ) spring further springs are connected in parallel, which form spring sets with the first ( 16 ) and the second ( 17 ) spring.

3. Free-piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the springs ( 16 , 17 ) are biased with the same force.

4. Free-piston engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spring constants of the oppositely acting springs ( 16 , 17 ) or the oppositely acting spring sets are the same.

5. Free-piston engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the free-piston engine is a motor according to the Stelzer principle and internal combustion chambers ( 8 , 9 ), and that the springs ( 16 , 17 ) on the outer surfaces of the both pistons ( 6 , 7 ).

6. Free-piston engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the free-piston engine has external combustion chambers ( 8 , 9 ) and that the springs ( 16 , 17 ) rest on the inner sides of the pistons ( 6 , 7 ).

7. Free-piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized records that the spring forces are large compared to those during combustion emerging expansion forces are.

8. Free-piston engine according to claim 7, characterized in that the mass-spring system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ) has a natural frequency which is approximately 50 Hz.

9. Free-piston engine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the piston unit ( 6 , 7 , 12 ) has a permanent magnet ( 13 ) or an excitation winding and the piston unit ( 6 , 7 , 12 ) forms the rotor of a synchronous machine and that in the housing ( 1 ) the Kol beneinheit ( 6 , 7 , 12 ) including windings ( 14 , 15 ) and the housing ( 1 ) thus forms the stand of a synchronous machine.

10. Free-piston engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the piston rod ( 12 ) a driver ( 24 ) is attached, that on or in this driver ( 24 ) engages or engages at least one crank ( 26 ), said crank ( 26 ) being connected to the shaft ( 27 ) of an electric motor ( 28 ).

11. Free-piston engine according to claim 10, characterized in that on the shaft ( 27 ) or the crank ( 26 ) balance weights ( 29 ) are attached.

12. Free-piston engine according to one of claims 1 to 11, characterized in that the free-piston engine is connected to a heat exchanger and the ventilation lines of the combustion chamber ( 8 , 9 ) are connected to the heat exchanger.

13. Control device for frequency control of the stroke frequency of a double-piston free-piston engine, characterized in that the control device is formed by a mass-spring system, the pistons ( 6 , 7 ) of the free-piston engine at least part of the mass of the mass-spring system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ) and the springs ( 16 , 17 ) of the mass-spring system are connected on the one hand to the housing ( 1 ) of the free-piston engine and on the other hand to the mass ( 6 , 7 , 12 ), and that the natural frequency of the mass-spring system ( 6 , 7 , 12 , 16 , 17 ) corresponds to the stroke frequency to be achieved with the frequency control.