DE102007017033B3

DE102007017033B3 - Free piston engine for use in e.g. hybrid vehicle, has crank piston axially movable by crank drive between upper and lower dead-centers in cylinder, where operating cycle of free-piston of engine takes pace within rotation of crank drive

Info

Publication number: DE102007017033B3
Application number: DE200710017033
Authority: DE
Inventors: Steffen Knoefler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-04-12

Abstract

The engine has a free piston (2) operated by combustion gas that is expanded in a combustion chamber (1). A crank piston (4) is axially movable by a crank drive (5) between upper and lower dead-centers in its cylinder (9). The combustion gas in a resilient-action -chamber is used during its resilient movement in the upper dead-center, where resilient characteristics of the chamber is determined a controllable outlet valve (7). An operating cycle of the free-piston takes pace within a rotation of the crank drive, where a controlled setting of the cycle takes place for power modulation.

Description

Die Intention der vorliegenden ist die deutliche Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades einer Wärmekraft maschine kleinster Leistungsklasse für einen vorrangigen Einsatz in Stromerzeugenden Heizungen.The Intention of the present is the significant improvement of the mechanical Efficiency of a thermal power Machine smallest performance class for a priority use in electricity generating heaters.

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"). Mit der hier vorgestellten Erfindung eines Freikolbenmotors mit Kurbeltrieb (im Folgenden „Freikolbenmotor") wird der thermodynamische Vorteil einer Brennkraftmaschine nach dem Freikolbenprinzip mit einer Leistungsabnahme in Form gleichförmiger Rotationsbewegung verbunden. 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.The Requirement of further savings of fuel and emissions in the conversion of chemical into mechanical energy forces a new emphasis on the advantages and disadvantages of the free-piston principle in internal combustion engines compared to the Established reciprocating engines with crank mechanism (hereinafter "crank motor") .With the here presented Invention of a free-piston engine with crank mechanism (hereinafter "free-piston engine") is the thermodynamic Advantage of an internal combustion engine according to the free-piston principle with a performance decrease in the form of a uniform rotational movement connected. Further advantages the free piston engine opposite the crank motor consist in the improvement of the gas charge change after the two-stroke principle and a relief of the crank mechanism from the enormous pressure peaks at the time of ignition.

Der „thermodynamische" Vorteil des FreikolbenprinzipsThe "thermodynamic" advantage of the free-piston principle

Durch das gleichmäßige Drehen der Kurbelwelle ist der Kolben eines klassischen Kurbelmotors in eine näherungsweise harmonische Bewegung gezwungen. Zum Zeitpunkt der Zündung (oberer Totpunkt) befindet sich der Kolben eines Kurbelmotors im Stillstand bei maximaler Beschleunigung. Die gleichen Verhältnisse finden sich so auch beim Freikolbenprinzip, nur dass hier die Beschleunigung des Freiflugkolbens nicht durch die Kurbelgeometrie und die Drehzahl der Kurbelwelle festgelegt ist, sondern maßgeblich durch die realen Druckverhältnisse im Brennraum bestimmt wird. Die extrem hohe Temperatur des Brenngases kurz nach der Zündung lässt es sowohl aus thermodynamischer als auch aus werkstofflicher Sicht wünschenswert erscheinen, diese Phase so kurz wie möglich zu halten. Der hier stattfindende Wärmeübergang in die umgebenden Bauteile ist vor allem bei kleinen Brennräumen und niedrigen Drehzahlen der Hauptminderungsgrund des realen gegenüber dem idealen thermodynamischen Wirkungsgrades eines Kurbelmotors. So benötigt ein Kurbelmotor bis zur Hälfte seines Arbeitstaktes 90° Kurbelumdrehung. Ein Freikolbenmotor gleicher Drehzahl benötigt für die gleiche Arbeitsgasausdehnung dagegen weniger als ein Drittel dieser Zeit. Somit kann in einem Freikolbenmotor von einem erheblich geringeren Wärmeübergang in der für den Wirkungsgrad entscheidenden Hochtemperaturphase des Brenngases ausgegangen werden. Die Freiflugkolben in einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine „entkoppeln" sozusagen die Volumenarbeit des Brenngases von der Arbeitsabgabe an den Kurbeltrieb durch deren Zwischenspeicherung in kinetische Energie.By the uniform turning the crankshaft is the piston of a classic crank motor in an approximate forced harmonic movement. At the time of ignition (upper Dead center) is the piston of a crank motor at a standstill at maximum acceleration. The same conditions can be found as well in the free-piston principle, except that here the acceleration of the free-motion piston not by the crank geometry and the speed of the crankshaft is fixed, but decisive through the real pressure conditions determined in the combustion chamber. The extremely high temperature of the fuel gas shortly after the ignition lets it both desirable from a thermodynamic as well as from a material point of view appear to keep this phase as short as possible. The one taking place here Heat transfer in the surrounding components is mainly for small combustion chambers and low speeds are the main reduction cause of the real versus the ideal thermodynamic efficiency of a crank motor. So needed a crank motor up to half his work cycle 90 ° crank rotation. A free-piston engine of the same speed required for the same working gas expansion less than a third of this time. Thus, in one Free-piston engine of a significantly lower heat transfer in the for the efficiency decisive high-temperature phase of the fuel gas can be assumed. The free-flowing pistons in an engine according to the invention "decouple" so to speak the volume work of the fuel gas from the output to the crank mechanism by their Caching in kinetic energy.

Stand der TechnikState of the art

In der Patentliteratur findet sich eine Reihe von Brennkraftmaschinen in Freiflugkolbenausführungen mit Lineargenerator (z. B. WO 2004/022946 A1 oder DE 102 19 549 B4 ). Der Nachteil dieser Freiflugkolbenmotore 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.The patent literature discloses a number of internal combustion engines in free-flight piston designs with a linear generator (eg. WO 2004/022946 A1 or DE 102 19 549 B4 ). The disadvantage of these free-piston engines over a classic reciprocating engine is the need to control the axial piston guide over an entire working cycle. There are neither the dead center of the piston deflection, nor the return of the piston in the top dead center position determined by a crankshaft. Also, the power reduction is not possible in the convenient form of uniform rotational movement.

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-Freiflugkolben-Verbund löst sich unter der Wirkung dieses Federelements ein Freiflugkolben 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 Freiflugkolben hindurch in den eigentlichen Brennraum oberhalb des Freiflugkolbens gerückt. Ein umgekehrter Gasdurchtritt (von Abgas zu Frischluft) wird durch Klappen im Freiflugkolben verhindert.In the patent US 2004/0035377 A1 Under the effect of this spring element, a free-piston moves away from the crank piston, whose top expels the exhaust gas and the exhaust gas is released by the end of the effective working stroke by a crank-piston spring element free-piston assembly During this phase, the crank piston releases the intake slots for the intake air, then compresses the fresh air on its way to top dead center and biases the spring element between the free and the crank pistons The combustion chamber above the free-motion piston has been moved, and reverse gas passage (from exhaust gas to fresh air) is prevented by flaps in the free-flowing piston.

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. Auch durch die interne und adiabate Kompression der Ansaugluft ist diese US-Patentschrift von der hier vorgestellten abgegrenzt.intention This US patent is the use of the rotational phase of the crankshaft around the bottom dead center of the crank piston with its low speed there for one spatial separate gas charge change. In particular, the working gas has during the Expansion no way to expand faster than the movement of the crank piston allowed. Also due to the internal and adiabatic compression of the intake air this US patent is delimited from that presented here.

In einer weiteren Patentschrift US006035814A wird ein Freiflugkolbens mit einem Hubkolben in einer Brennkraftmaschine kombiniert. Der Brennraum befindet sich dabei zwischen Hubkolben und Freiflugkolben. Nach der Zündung des Brennstoffgemisches bewegt sich der Freiflugkolben zunächst gegenläufig zum Hubkolben gegen einen Rückfederraum. Damit verlässt er seinen Ventilsitz und es strömt, durch den geringeren Durchmesser des Freiflugkolbens 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 Freiflugkolben und der Rückfederraum eine obere Druckbegrenzung bei der Kompression des Brennstoffgemischs gewährleisten.In another patent US006035814A a free-flowing piston is combined with a reciprocating piston in an internal combustion engine. The combustion chamber is located between reciprocating piston and free-piston. After the ignition of the fuel mixture, the free-moving piston initially moves in opposite directions to the reciprocating piston against a resilience space. He leaves his valve seat and it flows through the smaller diameter the free-piston than that of the cylinder, fuel gas in this resilience space. However, this buffering of fuel gas by pressure equalization between the combustion chamber and the springback space is likely to adversely affect the efficiency. As an advantage, the design-related protection against unwanted spontaneous combustion of the fuel mixture is called because the free-flowing piston and the resilience space ensure an upper pressure limit in the compression of the fuel mixture.

Phasen und Betriebsführung an einem AusführungsbeispielPhases and operational management an embodiment

Im Folgenden werden die Phasen des Freikolbenmotors anhand der Ausführungsvariante nach 1 erläutert. Bei optimaler Betriebsführung führt das Zusammenspiel aller Einflussparameter zu einer Freiflugkolben-Trajektorie wie im Simulationsbeispiel nach 2 und 3 dargestellt. Vor allem die zügige Rückführung der Freiflugkolben und deren Eintreffen im oberen Totpunkt mit geringer Geschwindigkeit sind durch eine geeignete Parameterwahl zu gewährleisten.In the following, the phases of the free-piston engine based on the embodiment according to 1 explained. With optimal operational management, the interplay of all influencing parameters leads to a free-flight piston trajectory as in the simulation example 2 and 3 shown. Above all, the speedy return of the free flight pistons and their arrival at top dead center at low speed must be ensured by a suitable choice of parameters.

In 2 ist der Verlauf der Verdichtung für Freiflug- und Kurbelkolben während einer Kurbelumdrehung dargestellt. „Verdichtungsverhältnis" entspricht dabei der anteiligen Änderung des Gasfedervolumens (3) durch die Freiflug- und Kurbelkolben im Verhältnis zum Brennraumvolumen (1). Die tatsächliche Änderung des Gasfedervolumens besteht dabei in der Summe beider Volumenänderungen. Bei gleichem Zylinderquerschnitt für Freiflug- und Kurbelkolben entspricht „Verdichtungsverhältnis" auch den zurückgelegten Wegen der Kolben während eines Arbeitsspiels. Die dünne Linie in 2 zeigt den durch die geometrischen Verhältnisse des Kurbeltriebs festgelegten Weg des Kurbelkolbens. Die dicke Linie zeichnet den Weg des Freiflugkolbens unter dem Einfluss von Brennraumdruck und Gasfederdruck während eines Arbeitsspiels.In 2 the course of the compression for free-flying and crank piston during a crank revolution is shown. "Compression ratio" corresponds to the proportionate change in the gas spring volume ( 3 ) by the free-flight and crank pistons in relation to the combustion chamber volume ( 1 ). The actual change in the gas spring volume is the sum of the two volume changes. With the same cylinder cross-section for free-flying and crank pistons, the "compression ratio" also corresponds to the distances traveled by the pistons during a working cycle 2 shows the fixed by the geometric conditions of the crank mechanism path of the crank piston. The thick line draws the path of the free-piston under the influence of combustion chamber pressure and gas spring pressure during a working cycle.

In 3 sind die Geschwindigkeiten für Freiflug- und Kurbelkolben des Simulationsbeispiels für ein Arbeitsspiel aufgetragen. Punkt A entspricht dem Zündungszeitpunkt und liegt bei einem Kurbelwinkel von 20°. Bis Punkt B (bei rund 90°) läuft der Freiflugkolben unter dem Einfluss der Druckerhöhung im Brennraum und seiner eigenen Trägheit dem Kurbelkolben hinterher. Zum Zeitpunkt B erreicht der Freiflugkolben seinen unteren Totpunkt und wird durch die Gasfeder in Richtung Brennraum beschleunigt. Das Auslassventil (7) bleibt dabei noch geschlossen. Es öffnet erst nach Wiedererreichen eines bestimmten Auslassdrucks und fungiert von da bis zum Erreichen des oberen Totpunktes durch die Freiflugkolben als Überdruckventil. Durch eine geeignete Wahl des Auslassdrucks (13 bar im Simulationsbeispiel) bildet der Brennraum einen Rückfederraum für die Freiflugkolben dergestalt, dass diese mit einer geringen Geschwindigkeit wieder im oberen Totpunkt eintreffen (C in 3). Die gestrichelte Linie C' in 3 zeigt eine ungünstige Trajektorie der Freiflugkolben durch zu geringen Auslassdruck. Die Freiflugkolben treffen dabei mit zu hoher Geschwindigkeit im Endanschlag ihres Totpunktes ein. Eine Abstimmung aller Parameter auf einen unteren Totpunkt der beiden Freiflugkolben bei 90° Kurbelwinkel (Punkt B) führt zum gewünschten, steilen Abfall des Gasfederdrucks (4) im Umkehrpunkt der Freiflugkolben. Aus der hohen Geschwindigkeit der Kurbelkolben in Punkt B resultiert ein schnell abnehmender Gasfederdruck durch eine schnelle Vergrößerung des Gasfedervolumens an beiden Gasfedergrenzen „Freiflugkolben" und „Kurbelkolben". Hierin ist auch der Grund zu sehen, warum sich ein späterer Zündzeitpunkt mit späterem unterem Totpunkt der Freiflugkolben ungünstig auf eine gewünschte Freiflugkolben-Trajektorie auswirkt. Die Rückbeschleunigung der Freiflugkolben ist dann zu hoch, um mit moderatem Auslassdruck wieder eine Abbremsung bis zum oberen Totpunkt zu realisieren. Die maximale Geschwindigkeit der Freiflugkolben in Richtung Gasfeder ist ungefähr zwei- bis dreimal so hoch wie seine maximale Rückführgeschwindigkeit. Ähnlich sieht das Verhältnis für die dafür benötigen Zeiten aus (von A nach B rund 70° Kurbelumdrehung, von B nach C rund 160°). Den Verlauf des Gasfederdrucks über ein komplettes Arbeitsspiel zeigt der dicke Linienzug in 4. Durch die Zwischenspeicherung von Volumenarbeit in kinetische Energie der Freiflugkolben wird das Druckmaximum auf die Kurbelkolben gegenüber dem klassischen Kurbelmotor stark verringert und nach hinten verschoben, wo die Stellung der Kurbelwelle ein besseres Übersetzungsverhältnis von Pleuelkraft in Drehmoment bietet. Auch entstehen so keine plötzlichen Belastungsänderungen am Kurbeltrieb durch die Zündung. Die schmale Kurve in 4 zeigt die Arbeitsabnahme am Kurbeltrieb als Produkt von Kurbelkolbengeschwindigkeit und Gasfederdruck. Die positive Fläche zwischen Kurve und Abszisse entspricht der Arbeitsaufnahme während der Bewegung der Kurbelkolben von oberem zu unterem Totpunkt, die Fläche unterhalb der Kurve die Arbeitabgabe der Kurbelkolben an die Gasfeder während der zweiten Hälfte einer Kurbelumdrehung. Kurze und breite Überströmkanäle der Gasfeder zwischen Kolbenaufnahme und Zylinder minimieren dabei die notwendige Verschiebearbeit an der Gasfeder. Die Temperaturschwankung der Gasfeder durch die adiabate Kompression und Expansion liegt bei Betriebstemperatur in der Größenordnung ± 70 K. Nach Erreichen des Punktes C durch die Freiflugkolben fungiert das Auslassventil nicht mehr als Überdruckventil, sondern öffnet vollständig, um ein erneutes Beschleunigung der Freiflugkolben in Richtung Kurbelkolben zu verhindern. Über den zeit und druckabhängigen Auslass des Brenngases wird die Federeigenschaft des Rückfederraumes „Brennraum" derart gestaltet, dass eine gewünschte Freiflugkolben-Trajektorie wie in 2 und 3 resultiert. Von Punkt C nach A in 3 werden die Freiflugkolben durch die Gasfeder bis zur erneuten Zündung an ihrem Endanschlag im oberen Totpunkt gehalten und bleibt Zeit für den Gaswechsel und die Gemischbildung. Eine Spülung des Brennraums mit Frischluft senkt Brennraumtemperatur und Abgasanteil in der Frischluftladung.In 3 the velocities for free-flight and crank pistons of the simulation example for a working cycle are plotted. Point A corresponds to the ignition timing and is at a crank angle of 20 °. Up to point B (at around 90 °), the free-piston piston travels under the influence of the pressure increase in the combustion chamber and its own inertia behind the crank piston. At time B, the free-flow piston reaches its bottom dead center and is accelerated by the gas spring in the direction of the combustion chamber. The outlet valve ( 7 ) remains closed. It opens only after reaching a certain outlet pressure and acts from there until reaching the top dead center by the free-motion piston as a pressure relief valve. By a suitable choice of the outlet pressure (13 bar in the simulation example), the combustion chamber forms a resilience space for the free-flow pistons such that they again arrive at top dead center at a low speed (C in FIG 3 ). The dashed line C 'in 3 shows an unfavorable trajectory of the free-flow piston due to low outlet pressure. The free-flying pistons arrive at too high speed in the end stop of their dead center. A tuning of all parameters to a bottom dead center of the two free-flowing pistons at 90 ° crank angle (point B) leads to the desired, steep drop in the gas spring pressure ( 4 ) at the reversal point of the free-flying pistons. The high speed of the crank pistons in point B results in a rapidly decreasing gas spring pressure due to a rapid increase in the gas spring volume at both gas spring limits "free-piston" and "crank piston". Herein is also the reason to see why a later ignition timing with later bottom dead center of the free flight piston adversely affects a desired free flight piston trajectory. The re-acceleration of the free-flowing piston is then too high to realize with moderate outlet pressure again a deceleration to top dead center. The maximum velocity of the free-flowing pistons in the direction of the gas spring is approximately two to three times as high as its maximum return speed. The ratio looks similar for the times required (from A to B around 70 ° crank turn, from B to C around 160 °). The course of the gas spring pressure over a complete working cycle shows the thick line in 4 , By caching volume work into kinetic energy of the free-motion pistons, the maximum pressure on the crank pistons is greatly reduced and shifted backwards relative to the classic crank motor, where the position of the crankshaft provides a better ratio of connecting rod force to torque. Also arise so no sudden changes in load on the crank mechanism by the ignition. The narrow curve in 4 shows the work acceptance on the crank mechanism as a product of the crank piston speed and gas spring pressure. The positive area between the curve and the abscissa corresponds to the work absorption during the movement of the crank pistons from top to bottom dead center, the area below the curve the work output of the crank pistons to the gas spring during the second half of a crank revolution. Short and wide overflow channels of the gas spring between piston seat and cylinder minimize the necessary displacement work on the gas spring. The temperature variation of the gas spring due to the adiabatic compression and expansion is in the order of magnitude ± 70K. After reaching point C by the free-motion pistons, the exhaust valve no longer acts as a relief valve, but fully opens to allow the free-piston to re-accelerate toward the crank piston prevent. About the time and pressure-dependent outlet of the fuel gas, the spring property of the resilience space "combustion chamber" is designed such that a desired free-piston trajectory as in 2 and 3 results. From point C to A in 3 the free-flying pistons are held by the gas spring to the re-ignition at its end stop at top dead center and remains time for gas exchange and mixture formation. Flushing the combustion chamber with fresh air lowers combustion chamber temperature and exhaust gas content in the fresh air charge.

Eine Leistungsmodulation des Freikolbenmotors wird günstiger weise durch ein Aussetzen von Arbeitsspielen realisiert. Die Freiflugkolben verharren dabei in ihrem oberen Totpunkt. Über eine Veränderung einer oder mehrerer der Einflussparameter Zündzeitpunkt, Gasfederdruck, Auslassdruck und Luftverhältnis kann auch eine Anpassung der Freiflugkolben-Trajektorie an verschiedene Drehzahlen erreicht werden. Über eine zentrale elektronische Steuereinheit werden diese Parameter überwacht und gestellt, wobei der Auslassdruck die direkte Stellgröße der Regelgröße „Geschwindigkeit der Freiflugkolben beim Eintreffen im oberen Totpunkt" darstellt. Zum Starten muss der Kurbeltrieb erst auf die Betriebsdrehzahl gebracht werden. Dabei kann die Beschleunigung des Kurbeltriebes auch bei verringertem Gasfederdruck erfolgen und der Gasfederdruck erst nach Erreichen der Betriebsdrehzahl aufgebaut werden.A Power modulation of the free-piston engine is favorably by a suspension realized by working games. The free-flying pistons remain in the process in their top dead center. about a change one or more of the parameters of ignition, gas spring pressure, Outlet pressure and air ratio can also adapt the free flight piston trajectory to different Speeds can be achieved. about a central electronic control unit monitors these parameters and where the outlet pressure is the direct manipulated variable of the controlled variable "speed the free-piston when arriving at top dead center. "To start the crank mechanism must first be brought to the operating speed. The acceleration of the crank mechanism can also be reduced Gas spring pressure and the gas spring pressure only after reaching be built up the operating speed.

Der thermodynamische Kreisprozess des Freikolbenmotors ähnelt dem klassischen Otto-Kreisprozess, wobei die Phase der adiabaten Kompression durch eine „beliebige" Kompression ersetzt ist. Die Ladeluft wird durch externe Kompressoren und Zwischenkühler mit frei wählbarem Druck und Temperatur aus einem Ladeluftspeicher in den Brennraum eingelassen. Eine konkave Wölbung der beiden Freiflugkolbenböden, angedeutet durch die Punktlinien in 1, gewährleistet den Platzbedarf für die Einbringung der Ventile, Zündkerze und Einspritzdüse. Die Nutzung eines Kolbenstillstandes im oberen Totpunkt für den Gasladungswechsel ermöglicht auch im Zwei-Takt-Betrieb einen Ladungswechsel mit geringem Luftaufwand und hohem Fanggrad. Durch eine Temperaturabsenkung der Ladeluft gegenüber der adiabaten Ladeluftverdichtung lässt sich bei geringerem Druck der gleiche Stoffumsatz und damit Leistungsdichte realisieren. Das dadurch ebenfalls erhöhte Drucksteigerungsverhältnis kommt sowohl der Erfordernis eines geringen Ladedrucks vor der Zündung (muss Gasfederdruck unterschreiten) als auch einem hohen Druck nach der Zündung für eine hohe initiale Beschleunigung der Freiflugkolben entgegen. Auch wird so das Temperaturniveau der Verbrennung insgesamt gesenkt und damit die Bildung von Stickoxiden reduziert. Eine gute Zündwilligkeit des Brenngemisches ist durch die Temperaturabsenkung zu gewährleisten und kann durch eine geschichtete Gemischbildung mittels Direkteinspritzung realisiert werden. Die Verwendung von Wasserstoff oder Erdgas als Treibstoff für einen Freikolbenmotor stellt ebenfalls eine sehr gute Kompromisslösung zwischen niedriger Temperatur des Brennstoffgemischs und angestrebtem Gleichraumprozess der Verbrennung dar. Da das Brenngas durch die Nutzung als Rückfederraum für den Freiflugkolben bei relativ hohem Druck ausgestoßen wird, ist der Einsatz eines Abgasturboladers zur Nutzung der Restenthalpie des Abgases sinnvoll. Die Leistung der Abgasturbine zum Antrieb des Verdichters der Ladeluft ist dabei in verschiedensten Betriebszuständen des Freikolbenmotors ausreichend. Durch den zusätzlichen Einsatz eines mechanischen Laders kann ein Ungleichgewicht zwischen Abgasenthalpie und Leistungsbedarf für die Ladeluftkompression ausgeglichen werden, bzw. eine Beladung des Ladeluftspeichers unabhängig vom aktuellen Betriebzustand des Freikolbenmotors erfolgen.The thermodynamic cycle of the free-piston engine is similar to the classic Otto cycle, whereby the adiabatic compression phase is replaced by an "arbitrary" compression.The charge air is introduced into the combustion chamber by external compressors and intercoolers with freely selectable pressure and temperature from a charge air reservoir concave curvature of the two freeflowing piston bottoms, indicated by the dotted lines in 1 , ensures the space required for the introduction of the valves, spark plug and injector. The use of a piston stop at the top dead center for the gas charge change allows even in two-stroke operation, a charge exchange with low air consumption and high degree of capture. By lowering the temperature of the charge air compared with the adiabatic charge air compression, the same material conversion and hence power density can be achieved at lower pressure. The thus also increased pressure increase ratio comes against both the requirement of a low boost pressure before ignition (must below gas spring pressure) and a high pressure after ignition for a high initial acceleration of the free-flowing piston. Also, the temperature level of the combustion is lowered overall, thus reducing the formation of nitrogen oxides. A good ignition of the combustion mixture is to ensure by lowering the temperature and can be realized by a stratified mixture formation by direct injection. The use of hydrogen or natural gas as fuel for a free-piston engine is also a very good compromise solution between low temperature of the fuel mixture and aspired Gleichraumprozess the combustion. Since the fuel gas is ejected by use as a return spring space for the free-piston at relatively high pressure, the use an exhaust gas turbocharger to use the residual enthalpy of the exhaust gas makes sense. The power of the exhaust gas turbine for driving the compressor of the charge air is sufficient in various operating conditions of the free-piston engine. The additional use of a mechanical supercharger makes it possible to compensate for an imbalance between the exhaust gas enthalpy and the power requirement for the charge air compression, or to charge the charge air accumulator independently of the current operating state of the free piston engine.

Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors mit Kurbeltrieb:

1. Hoher Wirkungsgrad durch schnelle initiale Arbeitsgasausdehnung mit geringen Wärmeverlusten in den Motorblock
2. Arbeitsabnahme in Form gleichmäßiger Rotationsbewegung
3. Nutzung eines Stillstandes der Arbeits-(Freiflug-)Kolben im oberen Totpunkt für Ladungswechsel und Gemischbildung
4. Gute Betriebsführung und Leistungsmodulation möglich
5. Geringere Schadstoffbildung (NO_x) durch Absenkung des Temperaturniveaus
6. Vollständiger Massenausgleich in Gegenkolbenausführung

The advantages of a free-piston engine according to the invention with crank mechanism:

1. High efficiency through fast initial working gas expansion with low heat losses in the engine block
2. Work acceptance in the form of uniform rotational movement
3. Use of a stoppage of the working (free-flying) piston at top dead center for charge exchange and mixture formation
4. Good operation management and power modulation possible
5. Lower pollutant formation (NO _x ) by lowering the temperature level
6. Complete mass balance in counter-piston design

Ein geeignetes Einsatzgebiet für den Freikolbenmotor umfasst das Marktsegment der Blockheizkraftwerke („Stromerzeugende Heizungen"). Ein hoher elektrischer Wirkungsgrad ist für die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen entscheidend und wird mit dem Freikolbenmotor auch in Anlagen geringer Leistung realisiert. Ein weiteres Einsatzgebiet liegt im Antrieb von Fahrzeugen. Hier erscheint, wegen des eingeschränkten Drehzahlbereichs, ein Einsatz in Hybridfahrzeugen mit Elektromotor besonders geeignet.One suitable field of application for The free-piston engine comprises the market segment of combined heat and power plants ( "Power-generating Heaters ") high electrical efficiency is such for the economy Equipment crucial and is with the free piston engine in plants low power realized. Another application is in Drive of vehicles. Here appears, because of the limited speed range, a use in hybrid vehicles with electric motor particularly suitable.

Weitere AusführungsvariantenFurther variants

In 5 bis 7 sind beispielhaft weitere Anordnungen von Freiflugkolben und Kurbelkolben in einem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor nach Anspruch 1 dargestellt. 5 zeigt einen Gegenkolbenmotor mit zwei Kurbeltrieben für die beiden Kurbelkolben und einem Brennraum für die beiden Freiflugkolben. Die gleiche axiale Ausrichtung aller Freiflug- und Kurbelkolben bietet die Möglichkeit des Einsatzes mechanischer Federelemente (3'). In 6 wirken die beiden Freiflugkolben (2) über eine gemeinsame Gasfeder (3) auf nur einen Kurbelkolben (4). Die beiden außen liegenden Brennräume werden aus je einem Freiflugkolben und je einem Zylinderkopf gebildet. 7 stellt die Erweitung eines klassischen Hubkolbenmotors um einen Freiflugkolben (2) und ein Federelement (3) in die Zylinderlaufbahn dar. Ein vollständiger Massenausgleich der Freiflugkolben ist mit dieser Anordnung nicht möglich.In 5 to 7 By way of example, further arrangements of free-flowing pistons and crank pistons in a free-piston engine according to the invention according to claim 1 are shown. 5 shows an opposed piston engine with two crank mechanisms for the two crank pistons and a combustion chamber for the two free-motion pistons. The same axial alignment of all free-flight and crank pistons offers the possibility of using mechanical spring elements ( 3 ' ). In 6 act the two free-motion pistons ( 2 ) via a common gas spring ( 3 ) on only one crank piston ( 4 ). The two outer combustion chambers are each formed from a free-flying piston and a cylinder head. 7 provides the extension of a classic reciprocating engine with a free-motion piston ( 2 ) and a spring element ( 3 ) in the cylinder bore. A complete mass balance of the free flight piston is not possible with this arrangement.

In 8 ist eine Ausführungsvariante nach Anspruch 2 dargestellt. Über eine Feststellvorrichtung (10) und eine Zugstange (11) wird der Freiflugkoben gegen Ende des Arbeitshubs räumlich zum Kurbelkolben fixiert. Nach Erreichen des durch den Endanschlag definierten oberen Totpunktes der Freiflugkolben wird die Feststellvorrichtung gelöst und der Kurbelkolben läuft ohne den Freiflugkolben weiter. Eine gute Parameterabstimmung des Freikolbenmotors nach Anspruch 2 führt zu einer Freiflugkolben-Trajektorie wie in 9 und 10 dargestellt. Die Zündung in Punkt A (10) erfolgt erst bei 80° Kurbelwinkel. Bei etwa 150° hat der Freiflugkolben den Kurbelkolben maximal eingeholt und wird mit diesem über die Feststellvorrichtung fixiert. Bis zum Erreichen des oberen Totpunktes beider Kolben folgen sie gemeinsam der Bahn des Kurbelkolbens (B bis C). Im Idealfall haben die Kolben zum Zeitpunkt ihrer Fixierung gleiche Geschwindigkeiten. Die Zacke bei Punkt B in 10 ist Folge eines geringfügigen „Überlaufens" der Freiflugkolben des durch die Zugstange festgelegen Fixierungsabstandes. Da über die Zugstange (11) und die Feststellvorrichtung (10) hohe Kräfte aufgenommen werden müssen, erscheint eine formschlüssige Verbindung zwischen Feststellvorrichtung und Zugstange in Form einer lösbaren Feder-Nut-Verbindung vorteilhaft. Dabei können die Nuten der Zugstangen die Federn der Feststellvorrichtung in Richtung Kurbelkolben überlaufen. Dies zeigt sich in 9 in einer kurzfristigen Erhöhung des Gasfederdrucks über den bei Fixierungsabstand resultierenden Gasfederdruck (38 bar) und in der Zacke der Geschwindigkeitskurve der Freiflugkolben in 10. Auf dem Rückweg der Freiflugkolben (relativ zur Bewegung der Kurbelkolben) und seiner verbunden Zugstangen rasten die Federn der Feststellvorrichtung dann in die Nuten der Zugstangen ein.In 8th an embodiment variant according to claim 2 is shown. About a locking device ( 10 ) and a pull rod ( 11 ), the free-float piston is fixed at the end of the working stroke spatially to the crank piston. After reaching the defined by the end stop top dead center of the free flight piston, the locking device is released and the crank piston continues to run without the free-flying piston. A good parameter tuning of the free-piston engine according to claim 2 leads to a free-flight piston trajectory as in 9 and 10 shown. Ignition in point A ( 10 ) takes place only at 80 ° crank angle. At about 150 °, the free-piston piston has caught up with the crank piston to the maximum and is fixed with it via the locking device. Until reaching the top dead center of both pistons, they follow together the path of the crank piston (B to C). Ideally, the pistons have the same speeds at the time of their fixation. The point at point B in 10 is the result of a slight "overflow" of the free-piston of the fixed by the tie rod fixing distance. 11 ) and the locking device ( 10 ) high forces must be absorbed, a positive connection between locking device and pull rod in the form of a releasable tongue and groove connection appears advantageous. The grooves of the tie rods may overflow the springs of the locking device in the direction of the crank piston. This is reflected in 9 in a short-term increase in the gas spring pressure on the resulting at fixing distance gas spring pressure (38 bar) and in the tine of the velocity curve of the free-piston in 10 , On the way back the free-motion pistons (relative to the movement of the crank piston) and its associated tie rods, the springs of the locking device then engage in the grooves of the tie rods.

Die Freiflugkolben sind nun bis zum Erreichen ihres oberen Totpunktes durch die Zugstange und die gespannte Gasfeder fest mit dem Kurbelkolben verbunden. Der Fixierungsabstand zwischen Freiflugkolben und Kurbelkolben wird so gewählt, dass die Freiflugkolben ihren Endanschlag (oberer Totpunkt) schon bei z. B. –10° Kurbelwinkel erreichen (nicht dargestellt). Hier wird dann erneut der Fixierungsabstand geringfügig „überlaufen", und die Feder-Nut-Verbindung kann spannungsfrei gelöst werden. Ein gesteuertes Lösen der Feder-Nut-Verbindung um den oberen Totpunkt der Kurbelkolben herum, ist deshalb wichtig, um ein Einrasten der Federn in die Nuten bei +10° Kurbelwinkel zu verhindern. Dem Vorteil einer kontrollierten mechanischen Freiflugkolbenrückführung nach Anspruch 2 steht der nichtrealisierbare vollständige Massenausgleich am Kurbeltrieb gegenüber.The Free-motion pistons are now up to their top dead center through the drawbar and the tensioned gas spring firmly with the crank piston connected. The fixation distance between free piston and crank piston is chosen so that the free-flying pistons their end stop (top dead center) already at z. B. -10 ° crank angle reach (not shown). Here then again the fixation distance slightly "overrun", and the tongue and groove connection can be de-energized solved become. A controlled release the spring-groove connection around the top dead center of the crank piston is therefore important to prevent the springs from locking into the grooves at + 10 ° crank angle. the Advantage of a controlled mechanical free piston return after Claim 2 is the unrealizable complete mass balance on the crank mechanism across from.

Claims

Free-piston engine with crank mechanism, comprising at least one free-motion piston ( 2 ), which via a spring element ( 3 ) with at least one crank piston ( 4 ) of a crank mechanism ( 5 ), characterized in that: a) the free-motion piston ( 2 ) under the effect of in a combustion chamber ( 1 ) expanding fuel gas axially a piston receiving ( 6 ) is drivable, with its associated combustion chamber ( 1 ) and its associated spring element ( 3 ) abut at the opposite ends of the free-flowing piston; b) the crank piston ( 4 ) via a crank mechanism ( 5 ) between an upper and lower dead center in its cylinder ( 9 ) is axially movable; c) the time course of the volume change of the fuel gas during a power stroke not by the position of the crank piston ( 4 ), but by the inertia of the free-flying piston ( 2 ) and the spring property of the connecting spring element ( 3 ) is determined; d) the top dead center of the free-flow piston ( 2 ) is defined by a mechanical end stop; e) the charge air supply ( 8th ) in the combustion chamber ( 1 ) during a rest position of the free-flight piston ( 2 ) takes place in the top dead center; f) the charge air is stored in a charge air reservoir and whose pressure and temperature can be freely selected by means of compressors and intercooler; g) at least one controllable inlet each ( 8th ) And exhaust valve ( 7 ) the gas exchange is realized in the combustion chamber; h) the fuel gas is used as a return spring space for the free-flowing piston in its return movement into its top dead center, wherein the spring property of this resilience space is determined by the controllable outlet valve; i) a common electronic control unit ensures optimum operation in a defined speed-load map; j) within one revolution of the crank mechanism ( 5 ) a work cycle of the free-piston ( 2 ), wherein for a power modulation, a controlled suspension of working cycles of the free-flying piston takes place;

Free-piston engine with crank mechanism according to claim 1, characterized in that each by a spring element interconnected crank piston ( 4 ) and free-piston ( 2 ) by at least one locking device ( 10 ) and at least one pull rod ( 11 ) are fixed spatially to each other during a continuous phase per work cycle.

Free-piston engine with crank mechanism according to claim 1 or 2, characterized in that for the spring element ( 3 ) between free-motion pistons ( 2 ) and crank pistons ( 4 ) a gas spring from charge air is used, through which the last compression stage of the charge air is realized.