DE102004062440A1 - Freikolbenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Um eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist, bereitzustellen, welche auf einfache Weise steuerbar und/oder regelbar ist, ist vorgesehen, daß an der mindestens einen Kolbenaufnahme mindestens ein Drucksensor angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, bei dem mindestens eine Kolbeneinrichtung in einer Kolbenaufnahme linear beweglich geführt wird und die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben wird.
  • Über eine Freikolbenvorrichtung läßt sich beispielsweise chemische Energie über Verbrennung teilweise in mechanische Energie, nämlich kinetische Energie einer Kolbeneinrichtung, umwandeln und diese mechanische Energie läßt sich dann wiederum über den Lineartrieb zumindest teilweise in elektrische Energie umwandeln. Durch eine Ausgestaltung der Kolbenbewegung als Freikolbenbewegung läßt sich eine reine Linearbeweglichkeit der Kolben realisieren, ohne daß eine Kurbelwelle vorgesehen werden muß.
  • Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise als Teil von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden und insbesondere im Zusammenhang mit seriellen Hybridkonzepten. Sie lassen sich auch als kompakte Stromerzeugungseinheit zur Generierung von Strom einsetzen oder auch im Zusammenhang mit stationären Anwendung wie beispielsweise Blockheizkraftwerken einsetzen.
  • Eine Freikolbenvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 22 17 194 C3 bekannt.
  • Verbrennungsvorrichtungen mit elektrischen Generatoren sind auch aus der US 6,199,519 B1 , der DE 31 03 432 A1 , der DDR-Patentschrift Nr. 113 593, der DE 43 44 915 A1 oder aus dem Artikel "Advanced internal combustion engine research" von P. van Barrigan, Proceedings of the 2000 DOE Hydrogene Program Review, bekannt.
  • Aus der WO 03/091556 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb bekannt, welche mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung umfaßt, wobei die Kolbeneinrichtung eine Läufervorrichtung umfaßt und an der Kolbenaufnahme eine Statorvorrichtung angeordnet ist. Die mindestens eine Kolbeneinrichtung ist unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar, wobei der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel einstellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung definierbar sind.
  • Aus der EP 1 398 863 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welcher ein erster Verschiebungsraum, in welchem ein Kolben in der mindestens einen Kolbeneinrichtung, auf die das Medium wirkt, beweglich ist, und ein zweiter Verschiebungsraum, in welchem die zugeordnete Läufervorrichtung beweglich ist, getrennte Räume sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Freikolbenvorrichtung der oben genannten Art bereitzustellen, welche auf einfache Weise steuerbar und/oder regelbar ist.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mindestens einen Kolbenaufnahme mindestens ein Drucksensor angeordnet ist.
  • Über den mindestens einen Drucksensor läßt sich der Druck in der Kolbenaufnahme und insbesondere in einem Expansionsraum und/oder in einem Rückfederraum ermitteln. Aus dem ermittelten Druck läßt sich wiederum auf die Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung schließen.
  • Dadurch ist eine Lagebestimmung und/oder Geschwindigkeitsbestimmung der Kolbeneinrichtung auf einfache Weise durchführbar. Über den gemessenen Druck läßt sich eine Steuerung und/oder Regelung der Freikolbenvorrichtung beispielsweise bezüglich des Zündzeitpunkts von Brennstoff in dem Expansionsraum durchführen.
  • Die Steuerung und/oder Regelung ist im Vollastbetrieb und im Teillastbetrieb möglich. Diese Steuerung und/oder Regelung ist auf einfache Weise realisierbar und weist eine hohe Robustheit auf.
  • Beispielsweise wird ein Zündzeitpunkt so gesteuert, daß die Verbrennung im Expansionsraum jedesmal bei dem gleichen Druck (welcher durch den mindestens einen Drucksensor gemessen wurde) einsetzt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Wirkungsgrad der Freikolbenvorrichtung zu erhöhen und/oder die Schadstoffbildung zu minimieren. Insbesondere läßt sich so eine mindestens näherungsweise stöchiometrische Verbrennung in dem Expansionsraum erreichen.
  • Bei bekanntem Druck-Volumen-Verlauf läßt sich aus einem gemessenen Druckwert auf einfache Weise das Volumen des Expansionsraums und damit die Position der zugeordneten Kolbeneinrichtung ermitteln. Der entsprechende Druck-Volumen-Verlauf wird dazu beispielsweise in einer Auswertungsvorrichtung abgespeichert.
  • Es ist auch möglich, daß beispielsweise bei adiabatischen Verhältnissen aus dem konstanten Produkt von Druck und Volumen mit Adiabatenexponent bei bekanntem Druck (nach Messung) und bekanntem Adiabatenexponent das Volumen und dadurch wiederum die Position ermittelt wird.
  • Mittels zeitaufgelöster Druckmessung läßt sich auch die Kolbengeschwindigkeit bestimmen.
  • Günstigerweise ist mindestens ein Drucksensor an dem Expansionsraum und insbesondere in dem Expansionsraum angeordnet. Dadurch läßt sich der Druck in dem Expansionsraum messen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, daß mindestens ein Drucksensor an einem Rückfederraum angeordnet ist. Die Bewegung der Kolbeneinrichtung läßt sich grundsätzlich auch über die Druckverhältnisse im Rückfederraum bestimmen. Über den Drucksensor an und insbesondere in dem Rückfederraum lassen sich Informationen über die Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung ermitteln.
  • Vorteilhaft ist es, wenn ein elektrischer Lineartrieb vorgesehen ist. Dadurch läßt sich mittels der Freikolbenvorrichtung elektrische Energie erzeugen. Der elektrische Lineartrieb kann auch zur Steuerung und/oder Regelung der Bewegung der Kolbeneinrichtung verwendet werden, wie es in der WO 03/091556 A1 beschrieben ist, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Insbesondere umfaßt dann die mindestens eine Kolbeneinrichtung eine Läufereinrichtung und an der mindestens einen Kolbenaufnahme ist eine Statorvorrichtung angeordnet. Die Läufereinrichtung ist magnetisiert. Durch Bewegung der Kolbeneinrichtung wird in der Statorvorrichtung eine elektrische Spannung induziert. Entsprechend kann durch Strombeaufschlagung der Statorvorrichtung auf die Kolbeneinrichtung eingewirkt werden.
  • Insbesondere ist es günstig, wenn der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel einstellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung definierbar sind. Dies ist in der WO 03/091556 A1 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • Günstig ist es, wenn der mindestens eine Drucksensor eine oder mehrere in der Kolbenaufnahme angeordnete aktive Sensorflächen aufweist. Dadurch läßt sich der Druck in der Kolbenaufnahme bestimmen; insbesondere läßt sich der Druck in dem Expansionsraum und/oder in dem Rückfederraum bestimmen.
  • Es ist ferner günstig, wenn der mindestens eine Drucksensor an einer Stirnseite der mindestens einen Kolbenaufnahme angeordnet ist. Dadurch läßt sich der Druck im zugeordneten Raum der Kolbenaufnahme (insbesondere Expansionsraum oder Rückfederraum) unabhängig von der Stellung der Kolbeneinrichtung bestimmen.
  • Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der mindestens eine Drucksensor an einer Stirnwand der mindestens einen Kolbenaufnahme angeordnet ist. Beispielsweise weist die Stirnwand eine (vertiefte) Ausnehmung auf, in welcher der zugeordnete Drucksensor angeordnet ist.
  • Insbesondere ist der mindestens eine Drucksensor so angeordnet, daß er einer beweglichen Kolbenfläche der mindestens einen Kolbeneinrichtung zuweist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise bei jeder Stellung der Kolbeneinrichtung der Druck in dem entsprechenden Raum (Expansionsraum und/oder Rückfederraum) ermitteln.
  • Insbesondere ist der mindestens eine Drucksensor im Bereich eines maximalen oberen Totpunkts bezogen auf die nächstliegende Kolbenfläche der zugeordneten mindestens einen Kolbeneinrichtung angeordnet. Dadurch ist garantiert, daß unabhängig von der Stellung der Kolbeneinrichtung stets der Druck in dem momentanen Expansionsraum bzw. Rückfederraum ermittelbar ist.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Drucksensor so ausgebildet ist und insbesondere so angesteuert ist, daß der Druck im Expansionsraum und/oder Rückfederraum zeitaufgelöst meßbar ist. Dadurch läßt sich auch die Änderung des Drucks im Expansionsraum und/oder Rückfederraum ermitteln. Aus diesen Werten wiederum läßt sich die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung ermitteln.
  • Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß an der Kolbenaufnahme mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist. Beispielsweise ist dem Rückfederraum ein Temperatursensor zugeordnet. Dadurch lassen sich Temperaturänderungen im Rückfederraum ermitteln, um so beispielsweise die Genauigkeit der Positionsermittlung bzw. Geschwindigkeitsermittlung zu erhöhen; bei der Auswertung der Daten des Drucksensors können Temperaturänderungen mit erfaßt werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn dem Expansionsraum (mindestens) ein Temperatursensor zugeordnet ist. Dadurch lassen sich Temperaturwerte für den Expansionsraum bestimmen, wobei diese Temperaturwerte zur Steuerung und/oder Regelung verwendet werden können.
  • Günstigerweise ist dem mindestens einen Drucksensor eine Auswertungsvorrichtung zugeordnet. Diese ermittelt insbesondere aus den gemessenen Druckdaten die Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung. Die Auswertungsvorrichtung kann dabei Teil einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung der Freikolbenvorrichtung sein.
  • Günstigerweise ist über die Auswertungsvorrichtung die Position und/oder Geschwindigkeit der mindestens einen Kolbeneinrichtung ermittelbar. Beispielsweise ist in der Auswertungsvorrichtung der Druck-Volumen-Verlauf der Kolbeneinrichtung hinterlegt. Aus einem gemessenen Druckwert kann dann aus den hinterlegten Daten der zugehörige Volumenwert ermittelt werden und dadurch wiederum die Position der Kolbeneinrichtung. Aus der zeitlichen Änderung der Druckwerte läßt sich entsprechend die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung ermitteln.
  • Insbesondere ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Freikolbenvorrichtung gemäß den durch den mindestens einen Drucksensor gemessenen Druckwerten steuerbar und/oder regelbar ist. Es läßt sich dann eine "Drucksteuerung" für bestimmte Einstellungsparameter der Freikolbenvorrichtung durchführen.
  • Insbesondere ist über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung die Zündung von Brennstoff in dem Expansionsraum und/oder eine Einspritzung in den Expansionsraum und/oder sind ein oder mehrere Ventile mittels des gemessenen Drucks steuerbar bzw. regelbar. Über eine gezielte Steuerung oder Regelung der Zündung und insbesondere Steuerung bzw. Regelung des Zündzeitpunkts läßt es sich beispielsweise erreichen, daß der Wirkungsgrad der Freikolbenvorrichtung optimiert ist bzw. die Schadstoffabgabe minimiert ist. Der Zündzeitpunkt wird beispielsweise so eingestellt, daß sich eine im wesentlichen stöchiometrische Verbrennung ergibt. Über Steuerung bzw. Regelung des Einspritzens insbesondere bezüglich Zeitpunkt des Beginns eines Einspritzvorgangs von Brennstoff in den Expansionsraum und Steuerung bzw. Regelung der Zeitdauer des Einspritzvorgangs läßt sich ebenfalls ein optimierter Wirkungsgrad bzw. eine minimierte Schadstoffabgabe erzielen. Über das Öffnen und Schließen von Ventilen bezüglich der Luftzufuhr und Abgaszufuhr läßt sich ebenfalls der Verbrennungsvorgang optimieren, um beispielsweise eine im wesentlichen stöchiometrische Verbrennung zu erreichen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß eine vereinfachte Steuerung und/oder Regelung der Freikolbenvorrichtung möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druck in dem Expansionsraum und/oder in einem Rückfederraum gemessen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erläutert.
  • Insbesondere wird der Druck zeitaufgelöst gemessen. Dadurch ist es auch möglich, die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung zu bestimmen. Ferner ist es möglich, die Genauigkeit für eine Steuerung bzw. Regelung zu erhöhen, da auch zeitliche Änderungen erfaßt werden.
  • Insbesondere wird über den gemessenen Druck die Position und/oder die Geschwindigkeit der mindestens einen Kolbeneinrichtung ermittelt. Die Positionsbestimmung und Geschwindigkeitsbestimmung läßt sich auf einfache Weise durchführen, ohne daß Wegmeßsensoren oder dergleichen vorgesehen werden müssen. Über die bestimmte Position und Geschwindigkeit läßt sich wiederum eine einfache und genaue Steuerung und/oder Regelung der Freikolbenvorrichtung durchführen, da grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt das Volumen des Expansionsraums bekannt ist.
  • Es ist auch möglich, daß die Temperatur im Expansionsraum und/oder Rückfederraum gemessen wird. Mit den gemessenen Temperaturwerten und insbesondere mit gemessenen Temperaturänderungen läßt sich beispielsweise, wenn aufgrund der Druckdaten im Rückfederraum die Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung ermittelt wird, unter Umständen, wenn diese Temperaturdaten auch berücksichtigt werden, die Genauigkeit erhöhen.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Freikolbenvorrichtung mittels des gemessenen Drucks gesteuert und/oder geregelt wird. Dadurch läßt sich beispielsweise auf einfache Weise ein Zündzeitpunkt mit einem gemessenen Druckwert korrelieren.
  • Beispielsweise wird die Zündung von Brennstoff im Expansionsraum mittels des gemessenen Drucks gesteuert und/oder geregelt. Insbesondere erfolgt die Steuerung bzw. Regelung der Zündung bezüglich des Zündzeitpunkts. Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Zündung immer dann erfolgt, wenn ein bestimmter Druckwert erreicht wird.
  • Es ist auch möglich, daß mittels des gemessenen Drucks ein oder mehrere Ventile an der Kolbenaufnahme gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere werden ein Einlaßventil für Luft und ein Auslaßventil für Abgas an dem Expansionsraum bezüglich des Öffnens und Schließens gesteuert bzw. geregelt. Dadurch ist es möglich, den Verbrennungsvorgang in dem Expansionsraum zu optimieren und beispielsweise eine im wesentlichen stöchiometrische Verbrennung zu erhalten.
  • Es kann vorgesehen sein, daß eine derartige Steuerung und/oder Regelung erfolgt, daß eine Brennstoffzündung durch einen bestimmten gemessenen Druckwert eingeleitet wird. Der bestimmte Druckwert ist beispielsweise mit einer im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung korreliert. Dadurch lassen sich dann optimierte Verbrennungsverhältnisse in dem Expansionsraum einstellen und damit wiederum ein optimierter Wirkungsgrad bzw. eine minimierte Schadstoffabgabe der Freikolbenvorrichtung einstellen.
  • Insbesondere wird die Steuerung und/oder Regelung so durchgeführt, daß eine Verbrennung im Expansionsraum im wesentlichen stöchiometrisch ist (Lambda-1-Verbrennung). Dadurch läßt sich ein optimierter Wirkungsgrad erzielen mit minimierter Schadstoffabgabe.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;
  • 2 ein Druck-Volumen-Diagramm für einen Expansionsraum der Freikolbenvorrichtung gemäß 1 als Simulationsergebnis im Vollastbetrieb; zum Vergleich ist ein entsprechendes Druck-Volumen-Diagramm eines Erdgasmotors gezeigt (Kreise); und
  • 3 ein Druck-Volumen-Diagramm als Simulationsergebnis im Teillastbetrieb von 25 % (mit den Kreisen ist ein entsprechendes Diagramm für einen Erdgasmotor gezeigt).
  • Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung und insbesondere Freikolben-Verbrennungsvorrichtung, welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfaßt als Kolbenaufnahme 12 einen Zylinder mit einem Zylindergehäuse 14. Das Zylindergehäuse 14 weist eine erste stirnseitige Wand 16 auf, welche eine erste Stirnseite 18 der Kolbenaufnahme 12 bildet. Der ersten stirnseitigen Wand 16 liegt eine zweite stirnseitige Wand 20 gegenüber, welche eine zweite Stirnseite 22 der Kolbenaufnahme 12 bildet.
  • In einem Innenraum 24 des Zylindergehäuses 14 ist eine Kolbeneinrichtung 26 linear verschieblich positioniert. Die Kolbeneinrichtung 26 ist mindestens bezüglich ihrer äußeren Gestalt im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse 28 des Zylindergehäuses 14. Die Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung 26 ist parallel bzw. koaxial zu dieser Achse 28.
  • Die Kolbeneinrichtung 26 umfaßt einen ersten Kolben 30 mit einer ersten Kolbenfläche 32, welche der ersten Stirnseite 18 zugewandt ist. Die Kolbeneinrichtung 26 umfaßt ferner einen beabstandeten zweiten Kolben 34 mit einer zweiten Kolbenfläche 36, welcher der zweiten Stirnseite 22 der Kolbenaufnahme 12 zugewandt ist. Der zweite Kolben 34 dient im wesentlichen zur Abstützung des ersten Kolbens 30. Die beiden Kolben 30, 34 sind über eine Haltestruktur 38 fest und insbesondere starr miteinander verbunden. Dadurch ist an der Kolbeneinrichtung 26 ein Kolbenpaar gebildet.
  • Die Haltestruktur 38 umfaßt beispielsweise eine Kolbenstange 40.
  • Zwischen der ersten Stirnseite 18 der Kolbenaufnahme 12 und dem ersten Kolben 30 ist eine Expansionskammer mit einem Expansionsraum 42 gebildet. Bei der Expansionskammer handelt es sich insbesondere um eine Brennkammer und bei dem Expansionsraum um einen Brennraum.
  • (Es ist grundsätzlich auch möglich, daß in dem Expansionsraum ein Wärmeträgermedium wie Dampf expandiert, welches außerhalb des Expansionsraums erzeugt wurde oder welchem außerhalb des Expansionsraums Energie zugeführt wurde. Ein Beispiel einer entsprechenden Freikolbenvorrichtung ist in der WO 03/091556 A1 offenbart, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.)
  • In dem Expansionsraum 42 ist ein Medium expandierbar, um die Kolbeneinrichtung 26 in ihrer Linearbewegung anzutreiben. Im Beispiel eines Brennraums handelt es sich bei dem expandierenden Medium um Brenngase; diese werden insbesondere durch einen Verbrennungsvorgang im Expansionsraum 42 erzeugt.
  • Die Abmessungen des Expansionsraums 42 sind durch den Kolbenhub der Kolbeneinrichtung 26 bestimmt, d. h. das Volumen und die (innere) Oberfläche des Expansionsraum 42 sind durch die Position des ersten Kolbens 30 bestimmt.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 umfaßt einen als Ganzes mit 44 bezeichneten elektrischen Lineartrieb, welcher eine Läufervorrichtung 46 aufweist. Die Läufervorrichtung 46 ist an der Kolbeneinrichtung 26 angeordnet. Sie wird mit der Kolbeneinrichtung 26 bewegt. Der elektrische Lineartrieb umfaßt ferner eine Statorvorrichtung 48, welche an der Kolbenaufnahme 12 außerhalb des Zylindergehäuses 14 angeordnet ist. Über sie lassen sich Spannungen induzieren, um elektrische Energie zu generieren bzw. es läßt sich die Kolbeneinrichtung 26 entsprechend beeinflussen.
  • Die Läufervorrichtung 46 umfaßt beispielsweise Magnetelemente 50 und Flußleitelemente 52, welche an der Haltestruktur 38 zwischen den Kolben 30 und 34 alternierend angeordnet sind.
  • Die Haltestruktur umfaßt beispielsweise einen zylindrischen Träger 54, an welchem die Magnetelemente 50 und die Flußleitelemente 52 sitzen. Der zylindrische Träger 54 ist an der Kolbenstange 40 gehalten und insbesondere einstückig mit dieser verbunden. Die Verbindung erfolgt über sich radial erstreckende beabstandete Leisten oder Scheiben 56. Die radiale Richtung liegt senkrecht zur Achsenrichtung 28. Die Leisten oder Scheiben 56 sind in der axialen Richtung 28 beabstandet. Dadurch ist zwischen benachbarten Leisten oder Scheiben 56 ein Zwischenraum 58 gebildet; die Haltestruktur 38 ist dadurch nicht aus einem Vollmaterial hergestellt, so daß die Masse der Kolbeneinrichtung 26 im Vergleich zu einer Herstellung aus einem Vollmaterial verringert ist.
  • Bei den Magnetelementen 50 kann es sich um Permanentmagnetelemente handeln, die insbesondere scheibenförmig rotationssymmetrisch um die Achse 28 ausgebildet sind. Es kann sich grundsätzlich auch um Elektromagnetelemente handeln, die entsprechend insbesondere konzentrisch um die Achse 28 angeordneten Windungen umfaßt. In diesem Fall muß eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen werden, um zu diesen Elektromagnetelementen Energie übertragen zu können. Dies kann beispielsweise induktiv erfolgen oder über Schleifringe.
  • Die Flußleitelemente 52 sind ebenfalls scheibenförmig und aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit hergestellt. Beispielsweise wird Eisen verwendet oder es werden magnetisch leitfähige Pulververbundwerkstoffe verwendet.
  • Die Magnetelemente 50, insbesondere wenn es sich um Permanentmagnetelemente handelt, und die Flußleitelemente 52 sind so ausgebildet, daß sie eine Zentralöffnung aufweisen, mit welcher sie bei der Herstellung der Kolbeneinrichtung 26 auf den Träger 54 aufschiebbar sind.
  • Die Magnetelemente 50 sind so ausgebildet und insbesondere so magnetisiert, daß in einem Flußleitelement 52 die Feldlinien der benachbarten Magnetelemente 50 konzentriert werden, um somit die magnetische Leistungsdichtung des Systems zu erhöhen. Insbesondere sind die Magnetelemente 50 derart parallel angeordnet, daß gleiche Pole benachbarter Magnetelemente 50 einander zuweisen.
  • Es kann auch vorgesehen sein, daß eine Außenfläche der Läufervorrichtung 46 so ausgebildet ist, daß sie in einem die Achse 28 umfassenden Querschnitt einer einer Zylinderwand zuweisenden Innenseite zahnförmig ausgestaltet ist. Die Läufervorrichtung 46 weist durch eine solche Zahnstruktur wechselnde magnetische Leitfähigkeiten auf, über die ein Vortrieb für die Kolbeneinrichtung 26 erzeugbar ist.
  • Die Statorvorrichtung 48 umfaßt Haupt-Ringwicklungen 60, welche außerhalb des Zylindergehäuses 14 dieses umgebend angeordnet sind. In diesen Haupt-Ringwicklungen 60 wird bei relativer Bewegung der magnetisierten Läufervorrichtung 46 eine Spannung induziert, wobei elektrische Energie auskoppelbar ist. Es ist dadurch eine Stromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt, welche auf dem Prinzip der Freikolbenführung (lineare Beweglichkeit der Kolbeneinrichtung 26) beruht.
  • Der Hub der Kolbeneinrichtung 26 ist über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 steuerbar und/oder regelbar. Es läßt sich dabei insbesondere eine derartige Steuerung/Regelung durchführen, daß zu jedem Zeitpunkt der Ort der Kolbeneinrichtung 26 festgelegt ist. Dadurch läßt sich nach Bedarf der Umkehrpunkt der Kolbenbewegung des ersten Kolbens 30 einstellen, um so wiederum die Abmessungen des Expansionsraums 42 einstellen zu können. Durch eine entsprechende Steuerung/Regelung des Lineartriebs 44 kann damit der Kolbenhub in Abhängigkeit des Lastzustands eingestellt werden; weiter kann die Verdichtung eingestellt werden und es läßt sich die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 einstellen. Dies ermöglicht es, den Expansionsraum 42 (bezüglich Volumen und Oberfläche sowie Volumenänderung und Oberflächenänderung) je nach Lastzustand optimiert einzustellen. Insbesondere kann dadurch das Volumen des Expansionsraums 42 und die jeweilige Oberfläche des Expansionsraums 42 an die Anwendung angepaßt werden.
  • Über die örtlich-zeitliche Einstellung des Kolbenhubs (Position, Verdichtung, Geschwindigkeit) kann auch eine Anpassung an den verwendeten Brennstoff durchgeführt werden, d. h. es kann eine Kolbenhubstrecke und Verdichtung eingestellt werden, je nach dem ob beispielsweise ein Brennstoff wie Diesel oder Pflanzenöl verwendet wird mit Selbstzündung oder ein Brennstoff wie Benzin, Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird mit Zündung durch eine Zündvorrichtung.
  • Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung 48 und gegebenenfalls in der Läufervorrichtung 46, d. h. durch Steuerung und/oder Regelung dieser Ströme, läßt sich die Kolbeneinrichtung 26 in ihrer Linearverschieblichkeit beeinflussen, um den Ort der Umkehrpunkte der Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 26 für den Expansionsraum 42 genau festlegen zu können.
  • Dadurch läßt sich beispielsweise bei Vollast, bei der eine große Ansaugmenge an Luft für den Expansionsraum 42 erforderlich ist, wenn in diesem eine Verbrennung stattfinden soll, ein entsprechend großer Kolbenhub einstellen, während bei Teillastbetrieb mit reduziertem Ansaugvolumen ein verringerter Hub einstellbar ist.
  • Zwischen dem zweiten Kolben 34 und der zweiten Stirnseite 22 ist ein Rückfederraum 64 gebildet, in dem ein elastisches Element aufgenommen ist, oder, wie in 1 angedeutet, ein kompressibles Medium aufgenommen ist.
  • Beispielsweise kann in dem Rückfederraum 64 eine Kompressionsfeder angeordnet sein, welche die Energie zumindest teilweise aufnimmt, die während eines Expansionstaktes nicht von dem Lineartrieb 44 ausgekoppelt wurde. Die gespeicherte Energie kann zum Verdichten des Brennstoff-Luft-Gemisches bei einem Zwei-Takt-Betrieb oder zum Ausstoß der Abgase bei einem Vier-Takt-Betrieb verwendet werden, wenn in dem Expansionsraum 42 eine Verbrennung zur Erzeugung des expandierenden Mediums erfolgt.
  • Insbesondere ist es vorgesehen, daß in dem Rückfederraum 64 ein kompressibles Fluid und insbesondere Gas wie Luft aufgenommen ist, welches die Energie aufnimmt und wieder abgibt.
  • Es ist dabei vorgesehen, daß der Druck in dem Rückfederraum 64 über ein oder mehrere Ventile 66 steuerbar und/oder regelbar ist. Die Steuerung und/oder Regelung des oder der Ventile 66 erfolgt dabei vorzugsweise über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62.
  • Es kann vorgesehen sein, daß das Ventil 66 so eingestellt wird, daß die Druckverhältnisse in dem Rückfederraum 64 im wesentlichen alleine durch die Position und Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 bestimmt sind. Dies wird untenstehend noch näher erläutert.
  • Dem Expansionsraum 42 sind ein oder mehrere insbesondere elektrisch steuerbare Einlaßventile 68 und ein oder mehrere insbesondere elektrisch steuerbare Auslaßventile 70 zugeordnet. Die Steuerung des (mindestens einen) Einlaßventils 68 und des (mindestens einen) Auslaßventils 70 erfolgt über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62. Über das (mindestens eine) Einlaßventil 68 und das (mindestens eine) Auslaßventil 70 läßt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen von insbesondere Verbrennungsprodukten zeitlich gezielt steuern und insbesondere synchronisiert steuern beispielsweise im Zusammenhang mit der elektrischen Ansteuerung des Lineartriebs 44.
  • Beispielsweise ist eine in den Expansionsraum 42 führende Saugleitung 72 mit einem Lader 74 verbunden.
  • Über das Auslaßventil 70 führt eine Abgasleitung 76 zu dem Lader 74. Der Lader 74 selber weist eine Zuführung 78 insbesondere für Ansaugluft und eine Abführung 80 für Abgase auf.
  • Bei dem Lader 74 kann es sich beispielsweise um einen Druckwellenlader handeln, bei dem die Energie des Abgasstroms aus dem Expansionsraum 42 genutzt wird, um die Ladeluft (angesaugte Luft) zu verdichten. Bei einem solchen Druckwellenlader saugen Druckwellen und Saugwellen der pulsierenden Abgase Frischluft an und verdichten diese. Diese Verdichtung erfolgt dabei in direkter Berührung mit den Abgasen.
  • Beim Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 erfolgt eine beispielsweise konstant oszillierende Verschiebungsbewegung der Kolbeneinrichtung 26. Dadurch läßt sich eine konstante Oszillation der abgeführten Abgase erreichen, so daß der Gaswechsel über einen Lader steuerbar und/oder regelbar ist. Der Vorteil eines Druckwellenladers ist, daß er nur einen geringen Eigenenergieaufwand hat.
  • Das Gesamtsystem des Laders 74 der Kolbeneinrichtung 26 mit dem ihr zugeordneten Expansionsraum 42 läßt sich aufgrund der konstanten Periodendauer für die oszillierende Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 genau auf einen optimalen Betriebspunkt auslegen, auf den wiederum der Lader 74 ausgelegt sein kann.
  • Es kann auch vorgesehen sein, daß um das Zylindergehäuse 14 eine oder mehrere Nebenwicklungen angeordnet sind. Diese sind elektrisch getrennt von den Haupt-Ringwicklungen 60 der Statorvorrichtung 48. Die Nebenwicklungen sind beispielsweise um die Haupt-Ringwicklungen 60 angeordnet, d. h. umgeben diese. Sie können auch neben Haupt-Ringwicklungen 60 angeordnet sein (insbesondere in axialer Verlängerung einer Ringwicklungsachse der Haupt-Ringwicklungen 60).
  • Über solche Nebenwicklungen läßt sich ein weiterer Strom auskoppeln, um beispielsweise einen 12 V/14 V- oder ein 36 V/42 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit Strom zu versorgen. Die Windungszahl der Nebenwicklungen ist entsprechend angepaßt. Vorzugsweise ist solchen Nebenwicklungen ein Gleichrichter nachgeschaltet, um entsprechend einen gleichgerichteten Strom erzeugen zu können.
  • Es kann auch vorgesehen sein, daß um die Statorvorrichtung 48 eine Kühlkanäle 82 umfassende Kühlvorrichtung 84 angeordnet ist, um die aktiven Komponenten der Freikolbenvorrichtung 10 (mit Lineartrieb 44) zu kühlen; zu diesen aktiven Komponenten gehören insbesondere die Kolbeneinrichtung 26, die Kolbenaufnahme 12 und die Haupt-Ringwicklungen 54.
  • Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß aus der entsprechenden Kühlvorrichtung 84 Wärme ausgekoppelt wird, um diese in wärmetechnischen Anwendungen z.B. für eine Fahrzeugheizung oder ein Blockheizkraftwerk zu nutzen.
  • In dem Expansionsraum 42 ist (mindestens) ein Drucksensor 86 angeordnet. Es handelt sich dabei insbesondere um einen Piezosensor.
  • Der Drucksensor ist beispielsweise an der ersten Wand 16 angeordnet. Diese kann dazu eine Ausnehmung aufweisen, in welcher der Drucksensor 86 sitzt.
  • Der Drucksensor 86 ist dem ersten Kolben 30 zugewandt ausgerichtet. Insbesondere weist eine aktive Fläche des Drucksensors 86 zu der ersten Kolbenfläche 32.
  • Über den Drucksensor 86 läßt sich der Druck in dem Expansionsraum 42 ermitteln.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, daß an der ersten Wand 16 (mindestens) ein Temperatursensor 87 zur Ermittlung der Temperatur im Expansionsraum 42 angeordnet ist.
  • Alternativ oder zusätzlich ist in dem Rückfederraum 64 (mindestens) ein Drucksensor 88 angeordnet. Dieser ist insbesondere an der zweiten stirnseitigen Wand 20 des Zylindergehäuses 14 angeordnet. Beispielsweise weist die zweite Wand 20 dazu eine Ausnehmung auf, in welcher der Drucksensor 88 angeordnet ist.
  • Der Drucksensor 88 weist der zweiten Kolbenfläche 36 des zweiten Kolbens 34 zu und weist dieser zweiten Kolbenfläche 36 insbesondere mit einer aktiven Fläche zu.
  • Über den Drucksensor 88 läßt sich der Druck im Rückfederraum 64 ermitteln.
  • Es kann auch noch vorgesehen sein, daß an dem Rückfederraum 64 ein oder mehrere Temperatursensoren 90 angeordnet sind, um die Temperatur im Rückfederraum 64 zu ermitteln. Ein solcher Temperatursensor 90 ist insbesondere an der zweiten Wand 20 angeordnet.
  • Zur Auswertung der Meßergebnisse ist eine Auswertungsvorrichtung 92 vorgesehen, welche Teil der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 sein kann. Der oder die Sensoren 86, 88, 90 übermitteln ihre Meßsignale der Auswertungsvorrichtung 92.
  • Der (mindestens eine) Drucksensor 86 ist im Bereich des maximal oberen Totpunkts für die Kolbenbewegung des ersten Kolbens 30 angeordnet. Entsprechend ist der (mindestens eine) Drucksensor 88 im Bereich des maximal oberen Totpunkts bezogen auf die Bewegung des zweiten Kolbens 34 angeordnet (wobei der maximale mögliche obere Totpunkt für die Bewegung des zweiten Kolbens 34 dem minimal möglichen unteren Totpunkt für die Bewegung des ersten Kolbens 30 entspricht).
  • Weitere Beispiele von Freikolbenvorrichtungen sind in der WO 03/091556 A1 und in der EP 1 398 863 A1 offenbart. Auf diese Druckschriften wird ausdrücklich Bezug genommen. Drucksensoren 86 bzw. 88 lassen sich dort auf entsprechende Weise wie oben beschrieben in Expansionsräumen bzw. Rückfederräumen anordnen.
  • Die erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
    Über den Lineartrieb 44 werden durch entsprechende Strombeaufschlagung bestimmte Umkehrpunkte (OT und UT) der Kolbeneinrichtung 26 eingestellt, um dadurch das Volumen und die Oberfläche des Expansionsraums 42 und insbesondere eines Brennraums festzulegen. Weiterhin wird die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 festgelegt und insgesamt die Verdichtung. Diese Einstellung erfolgt in Abhängigkeit von der Last (Teillast oder Vollast), von dem Brennstoff (Benzin, Erdgas, Wasserstoff, Diesel, Pflanzenöl usw.) und eventuellen weiteren externen Parametern.
  • Es kann vorgesehen sein, daß für den Start der Freikolbenvorrichtung 10 eine elektrische Vorheizung erfolgt und auch das Kühlwasser der Kühlvorrichtung 84 vorgeheizt wird. Diese Vorheizung kann dabei über den Lineartrieb 44 erfolgen, indem entsprechende Wicklungen, beispielsweise die Haupt-Ringwicklungen 60 als Heizelemente verwendet werden. Es können aber auch eigene Heizspulen vorgesehen sein.
  • Durch das Kolbenpaar mit den Kolben 30 und 34 ist eine Abstützung der Kolbeneinrichtung 26 hergestellt, d. h. die Kolben 30, 34 lassen sich im wesentlichen verkippungsfrei linear führen.
  • Die Kolben 30, 34 dienen auch zur Abdichtung des Expansionsraums 42 gegenüber dem Rückfederraum 64.
  • Durch den Lineartrieb 44 sind die Umkehrpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 örtlich und zeitlich genau vorgebbar. Dadurch ist im Teillastbetrieb für eine Luftzuführung auch keine Drosselklappe notwendig, die sonst für Drosselverluste verantwortlich ist.
  • Durch das Einlaßventil 68 und das Auslaßventil 70 für den Expansionsraum 42 läßt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen der Abgase gezielt steuern. Dadurch läßt sich die Effizienz des Gesamtsystems verbessern und die Abgasqualität verbessern; durch genaue Einstellung der Steuerzeiten über Zeitpunkte und der Dauer hinsichtlich des Gaswechsels (Durchströmung durch das Einlaßventil 68 und durch das Auslaßventil 70) kann eine genaue Anpassung zwischen den einzelnen zeitkritischen Vorgängen stattfinden. Da auch die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 steuerbar bzw. regelbar ist, und zwar auch während des Expansionsvorgangs, ist das Entstehen von Abgasen beeinflußbar.
  • Insbesondere ist das Einlaßventil 68 so angeordnet und ausgebildet, daß angesaugte Luft und resultierende Gasströme längs inneren Zylinderwänden entlanggeführt werden, um so einen optimierten Spülvorgang für einen Gaswechsel zu erhalten.
  • Das Ansaugen und Verdichten von Luft und das Ausstoßen von Abgasen wird vorzugsweise über den Lader 74 durchgeführt.
  • Während der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Läufervorrichtung 46 und der Statorvorrichtung 48 in letzterer eine Spannung induziert, so daß elektrische Energie generiert wird:
    Es wird mechanische Energie teilweise in elektrische Energie umgewandelt, wobei wiederum die mechanische Energie aus einer teilweisen Umwandlung in chemische Energie aufgrund der Verbrennung herrührt.
  • Durch den Rückfederraum 64 kann Energie aufgenommen werden, die während des Verbrennungs-Arbeitstaktes, wenn in dem Expansionsraum 42 eine Verbrennung stattfindet, nicht vom Lineartrieb 44 ausgekoppelt wird.
  • Die Statorvorrichtung 48 ist über die Kühlvorrichtung 84 gekühlt. Die Kühlvorrichtung 84 kann dabei auch weitere Teile der Kolbenaufnahme 12 und beispielsweise die Kolbeneinrichtung 26 kühlen.
  • Die Kolben 30, 34 sind beispielsweise über eine einfache Planschschmierung geschmiert, so da keine Ölpumpe erforderlich ist. Die Kolben 30, 34 bewegen sich dann in einem Ölbad, welches durch die Bewegung durcheinandergewirbelt wird, um eine ausreichende Schmierölversorgung zu gewährleisten.
  • Die Kolben 30, 34 lassen sich mit einer minimierten dem Zylindergehäuse 14 zugewandten Seitenfläche herstellen, d. h. Kolbenhemden lassen sich kurz ausgestalten, da das Kolbenpaar mit dem ersten Kolben 30 und dem zweiten Kolben 34 für eine gegenseitige Abstützwirkung sorgt. Dadurch lassen sich Reibungsverluste bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 minimieren. Dadurch wiederum ist es möglich, die Kolben 30, 34 auch aus nichtmetallischen Werkstoffen wie Keramikwerkstoffen oder aus Graphit oder beispielsweise glasfaserverstärkten Kohlenstoffmaterialien herzustellen. Solche Kolben können ohne Schmierung auskommen.
  • Durch die Läufervorrichtung 46 mit alternierend angeordneten Magnetelementen 50 und Flußleitelementen 52 läßt sich eine hohe magnetische Leistungsdichte des Systems erreichen. Insbesondere lassen sich hohe Leistungsdichten erzielen, wenn die Polteilung in der Läufervorrichtung 46 und der Statorvorrichtung 48 unterschiedlich ist.
  • Brennstoff läßt sich in den Expansionsraum 42 über eine Einspritzvorrichtung 94 einkoppeln.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die in dem Expansionsraum 42 und/oder in dem Rückfederraum 64 über den Drucksensor 86 bzw. 88 ermittelten Druckwerte zur Steuerung und/oder Regelung der Freikolbenvorrichtung 10 verwendet werden:
    Beispielsweise gilt für adiabatische Zustandsänderungen die Beziehung p·Vχ = const. für den Expansionsraum 42, wobei p der Druck des Mediums ist und V das Volumen des Expansionsraums (Adiabatengleichung); χ ist der Adiabatenexponent. Aus bekanntem Druck läßt sich dadurch das Volumen des Expansionsraums 42 ermitteln. Dadurch wiederum läßt sich die Position der Kolbeneinrichtung 26 ermitteln, da deren Querschnittsfläche bekannt ist.
  • Aus den von dem Drucksensor 86 bereitgestellten Druckwerten kann die Auswertungsvorrichtung 92 also die Position der Kolbeneinrichtung 26 ermitteln.
  • Wenn die Druckwerte zeitaufgelöst ermittelt werden, dann kann auch die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 (bei entsprechend gewählter Zeitauflösung) ermittelt werden: Aus der zeitlichen Veränderung der Druckwerte kann die zeitliche Veränderung der Position der Kolbeneinrichtung 26 und damit deren Geschwindigkeit durch die Auswertungsvorrichtung 92 ermittelt werden.
  • Beispielsweise liegen Oszillationsfrequenzen der Kolbeneinrichtung 26 in einem Spektrum von 1 Hz bis 500 Hz. Mit Piezosensoren als Drucksensoren lassen sich die notwendigen Ansprechzeiten erreichen, um Drucksignale bereitzustellen, aus denen zeitaufgelöst die Kolbenposition und die Kolbengeschwindigkeit des ersten Kolbens sich ermitteln läßt.
  • Es lassen sich dann über die ermittelten Druckwerte Positionen der Kolbeneinrichtung 26 mit einer Genauigkeit von besser als 1 mm ermitteln, wobei auch Genauigkeiten besser als 0,1 mm grundsätzlich erzielbar sind.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Position und Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung über den Drucksensor 88 am Rückfederraum 64 zu ermitteln. Unter Umständen kann während der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 in dem Rückfederraum 64 eine Temperaturänderung erfolgen. Über den Temperatursensor 90 läßt sich diese Temperaturänderung ermitteln. Diese Temperaturänderung kann zur Positionsermittlung bzw. Geschwindigkeitsermittlung berücksichtigt werden.
  • Über die bekannte Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26, welche mittels des Drucksensors 86 und/oder des Drucksensors 88 in Kombination mit der Auswertungsvorrichtung 92 ermittelt wurde, kann beispielsweise die Einspritzung von Brennstoff durch die Einspritzvorrichtung 94 in den Expansionsraum 42 gesteuert werden.
  • Weiterhin lassen sich das Einlaßventil 68 und das Auslaßventil 70 bezüglich Öffnen und Schließen steuern. Auch eine Zündung von Brennstoff in dem Expansionsraum 42 mittels einer Zündvorrichtung 96 läßt sich steuern.
  • Insbesondere wird zu der "Drucksteuerung" der Einspritzvorrichtung 94 und/oder der Zündvorrichtung 96 und/oder der Ventile 68, 70 die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 verwendet. Diese wiederum erhält die entsprechenden Positions- und/oder Geschwindigkeitsinformationen über die Kolbeneinrichtung 26 von dem Drucksensor 86 bzw. dem Drucksensor 88 ausgewertet über die Auswertungsvorrichtung 92 (wobei die Auswertungsvorrichtung 92 selber integraler Bestandteil der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 sein kann).
  • Durch die erfindungsgemäße Lehre läßt sich mit relativ geringem Aufwand die Position der Kolbeneinrichtung 26 sowie deren Geschwindigkeit in der erforderlichen Genauigkeit bestimmen. Es läßt sich auf einfache Weise eine Zündungssteuerung für Brennstoff in dem Expansionsraum 42 durchführen.
  • In 2 ist mit dem Bezugszeichen 98 ein Druck(p)-Volumen(V)-Diagramm für eine Freikolbenvorrichtung 10 gezeigt, welches das Ergebnis einer Simulation bei Vollast ist.
  • Im Vergleich dazu ist ein p-V-Diagramm für einen Erdgasmotor gezeigt (Bezugszeichen 100 mit Kreissymbolen). Man erkennt den oberen Totpunkt (OT) des ersten Kolbens 30 und den unteren Totpunkt (UT) des ersten Kolbens 30. In der Nähe des oberen Totpunkts ändert sich der Druck stark, so daß über den ermittelten Druckwert eine Steuerung bzw. Regelung beispielsweise bezüglich Einspritzen, Zünden und Steuerung der Ventile 68, 70 möglich ist.
  • In 3 ist zum Vergleich ein p-V-Diagramm als Simulationsergebnis für einen 25 %igen Teillastbetrieb für die Freikolbenvorrichtung 10 gezeigt (Bezugszeichen 102) und zum Vergleich wiederum ein entsprechendes p-V-Diagramm für einen Erdgasmotor (Bezugszeichen 104).
  • Auch hier läßt sich beispielsweise in der Nähe des oberen Totpunkts über Ermittlung des Drucks eine Steuerung bzw. Regelung insbesondere bezüglich Zündung und/oder Einspritzung und/oder Ventilöffnen/-schließen durchführen.
  • Durch die erfindungsgemäße Steuerung bzw. Regelung läßt es sich beispielsweise erreichen, daß über Einstellung des Zündzeitpunkts eine optimale und insbesondere stöchiometrische Verbrennung in dem Expansionsraum 42 bewirkt wird. Beispielsweise bewirkt eine solche Steuerung bzw. Regelung, daß die Zündung immer bei gleichem Druck erfolgt. Dadurch läßt sich ein hoher Wirkungsgrad für die Freikolbenvorrichtung 10 mit einer minimierten Schadstoffbildung erreichen.
  • Es ist auch möglich, daß in der Auswertungsvorrichtung 92 vorgegebene Druck-Volumen-Diagramme wie beispielsweise das Diagramm 98 und das Diagramm 102 beispielsweise in Tabellenform hinterlegt werden. Für einen gemessenen Druckwert kann dann die Auswertungsvorrichtung 92 den zugehörigen Volumenwert ermitteln und dadurch die Position der Kolbeneinrichtung 26.
  • Es ist beispielsweise auch möglich, daß in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 ein Druckwert hinterlegt ist, bei dessen Erreichen eine Zündung von Brenngasen im Expansionsraum 42 durch die Zündvorrichtung 96 erfolgen soll. Wenn dann der entsprechende Drucksensor (beispielsweise der Drucksensor 86) einen entsprechenden Druckwert an die Auswertungsvorrichtung 92 weitergibt und dieser Wert von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 62 registriert wird, dann wird die Zündung des Brennstoffs in dem Expansionsraum 42 ausgelöst. Bei entsprechend gewähltem Druckwert lassen sich dadurch optimierte Verbrennungsverhältnisse erhalten.

Claims (28)

  1. Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme (12) mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme (12) linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung (26), wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum (42) expandiert, antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) mindestens ein Drucksensor (86) angeordnet ist.
  2. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Drucksensor (86) an dem Expansionsraum (42) angeordnet ist.
  3. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Drucksensor (88) an einem Rückfederraum (64) angeordnet ist.
  4. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Lineartrieb (44) vorgesehen ist.
  5. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) eine Läufervorrichtung (46) umfaßt und daß an der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) eine Statorvorrichtung (48) angeordnet ist.
  6. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenhub über den Lineartrieb (44) derart variabel einstellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) definierbar sind.
  7. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) eine oder mehrere in der Kolbenaufnahme (12) angeordnete aktive Sensorflächen aufweist.
  8. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) an einer Stirnseite (18; 22) der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) angeordnet ist.
  9. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) an einer Stirnwand (16; 20) der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) angeordnet ist.
  10. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) so angeordnet ist, daß er einer beweglichen Kolbenfläche (32; 36) der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) zuweist.
  11. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) im Bereich eines maximalen oberen Totpunkts bezogen auf die nächstliegende Kolbenfläche (32; 36) der zugeordneten mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) angeordnet ist.
  12. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) so ausgebildet ist, daß der Druck im Expansionsraum (42) und/oder Rückfederraum (64) zeitaufgelöst meßbar ist.
  13. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Drucksensor (86; 88) ein Piezosensor ist.
  14. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kolbenaufnahme (12) mindestens ein Temperatursensor (87; 90) angeordnet ist.
  15. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens einen Drucksensor (86; 88) eine Auswertungsvorrichtung (92) zugeordnet ist.
  16. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß über die Auswertungsvorrichtung (92) die Position der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) ermittelbar ist.
  17. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß über die Auswertungsvorrichtung (92) die Geschwindigkeit der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) ermittelbar ist.
  18. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (62) vorgesehen ist, mittels welcher die Freikolbenvorrichtung gemäß dem durch den mindestens einen Drucksensor (86; 88) gemessenen Druck steuerbar und/oder regelbar ist.
  19. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (62) die Zündung von Brennstoff in dem Expansionsraum (42) und/oder eine Einspritzung in den Expansionsraum (42) und/oder ein oder mehrere Ventile (68, 70) mittels des gemessenen Drucks steuerbar und/oder regelbar sind.
  20. Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, bei dem mindestens eine Kolbeneinrichtung in einer Kolbenaufnahme linear beweglich geführt wird und die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Expansionsraum und/oder in einem Rückfederraum gemessen wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, der Druck zeitaufgelöst gemessen wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß über den gemessenen Druck die Position und/oder die Geschwindigkeit der mindestens einen Kolbeneinrichtung ermittelt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Expansionsraum und/oder Rückfederraum gemessen wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Freikolbenvorrichtung mittels des gemessenen Drucks gesteuert und/oder geregelt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung von Brennstoff im Expansionsraum mittels des gemessenen Drucks gesteuert und/oder geregelt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des gemessenen Drucks ein oder mehrere Ventile an der Kolbenaufnahme gesteuert und/oder geregelt werden.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine derartige Steuerung und/oder Regelung erfolgt, daß eine Brennstoff-Zündung durch einen bestimmten gemessenen Druckwert eingeleitet wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung und/oder Regelung so durchgeführt wird, daß eine Verbrennung im Expansionsraum im wesentlichen stöchiometrisch ist.
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