DE102008030633A1 - Method for operating a free-piston device - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bereitgestellt, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.There is provided a method of operating a free piston device comprising at least one free piston engine with a linear electric drive, wherein the at least one free piston engine having a piston device which is driven in a linear motion under the action of a medium which expands in an expansion space a return spring, which exerts a restoring force, is moved back in an opposite direction, and wherein the piston device is coupled to the electric linear drive, in which a force profile of a force-displacement curve for the piston device is given, its integral over a period of movement of the piston device corresponds to the usable work, which is convertible from the electric linear drive into electrical energy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist.The The invention relates to a method for operating a free-piston device, which at least one free-piston engine with a linear electric drive wherein the at least one free-piston engine comprises a piston device which, under the action of a medium, is in an expansion space expanding, being driven in a linear motion and through a return spring device, which has a restoring force exercises in a reverse direction, and wherein the piston means to the electric linear actuator is coupled.
Entsprechende
Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der
Aus
der
Steuerungs-
und Regelungsverfahren für Freikolbenvorrichtungen sind
in dem Artikel
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich bei einer Freikolbenvorrichtung Hubraum und/oder Verdichtung auf stabile Weise einstellen lassen.Of the Invention is based on the object, a method of the initially to provide said type, by means of which in a free-piston device Set displacement and / or compression in a stable manner.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.These The object is achieved according to the invention in the method mentioned solved that a force profile of a force-displacement curve for the piston device is given, the integral over a period of movement of the piston device of the usable Work corresponds to that of the electric linear drive in electrical Energy is convertible.
Eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung ist ein kompletter Zyklus einer Bewegung beginnend von einem Startpunkt, wobei einmal der obere Totpunkt und der untere Totpunkt der Kolbenbewegung durchlaufen wird. Eine Periode einer Kolbenbewegung umfasst insbesondere eine Kompressionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Totpunkt und eine Expansionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt. Der Startpunkt ist dabei grundsätzlich beliebig. Beispielsweise ist der Startpunkt der untere Totpunkt.A Period of movement of the piston device is a complete cycle a movement starting from a starting point, where once the go through top dead center and the bottom dead center of the piston movement becomes. One period of a piston movement comprises in particular one Compression phase in the expansion space for the movement of bottom dead center to top dead center and an expansion phase in Expansion space for the movement from top dead center to to bottom dead center. The starting point is basically any. For example, the starting point is the bottom dead center.
Die Regelungsstrategie bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, die Kolbeneinrichtung sich aufgrund der wirkenden Kräfte im Expansionsraum und aufgrund der Rückstellkraft ”frei” bewegen zu lassen. Das Kraftprofil wird dabei in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben, wobei grundsätzlich während der Kolbenbewegung dieses Kraftprofil durch einen Regelungseingriff modifiziert werden kann. Der Lineartrieb stellt auf die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung eine Reaktionskraft ein, welche entsprechend die Bewegung des Kolbens beeinflusst.The Control strategy in the inventive solution it is the piston device due to the forces acting in the expansion space and due to the restoring force "free" move allow. The force profile is thereby in its path-time dependence given, being basically during the piston movement this force profile can be modified by a control intervention can. The linear drive is based on the application of force to the piston device a reaction force corresponding to the movement of the piston affected.
Als Nebenbedingung bei der Vorgabe des Kraftprofils muss das Integral über die Kraft in einer Periode der technisch nutzbaren Arbeit in einer Periode entsprechen. Diese technisch nutzbare Arbeit kann vom Lineartrieb in elektrische Energie gewandelt werden. Diese nutzbare Arbeit kann grundsätzlich be rechnet werden, wenn die dissipative Energie bekannt ist beziehungsweise ein entsprechender Ansatz für die Verlustenergie verwendet wird.When Secondary condition when specifying the force profile must be the integral over the power in a period of technically usable work in one Period correspond. This technically usable work can be done by the linear drive be converted into electrical energy. This usable work can in principle, be calculated when the dissipative energy is known or a corresponding approach for the loss energy is used.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Weg-Zeit-Abhängigkeit der Kolbenbewegung nicht direkt geregelt, das heißt es wird kein vorgegebener Weg-Zeit-Verlauf für die Kolbenbewegung eingestellt, sondern der Bewegungsverlauf ergibt sich als Konsequenz aus dem verwendeten Kraftprofil.at the solution according to the invention takes place the path-time dependence of the piston movement is not direct regulated, that is, there is no predetermined path-time history set for the piston movement, but the course of movement arises as a consequence of the force profile used.
Das verwendete Kraftprofil ist insbesondere an die entsprechende Anwendung angepasst. Beispielsweise wird ein Hub und/oder eine Verdichtung eingestellt. Das Kraftprofil kann beispielsweise dahingehend optimiert werden, dass beispielsweise das Emissionsverhalten im Expansionsraum positiv beeinflusst wird und/oder der Druck im Expansionsraum definiert (beispielsweise für gesteigerte Effizienz) eingestellt wird und/oder so eingestellt wird, dass die Geräuschemission beim Verbrennungsprozess im Expansionsraum minimiert ist.The force profile used is particularly adapted to the corresponding application. For example, a stroke and / or a compression is set. The force profile can be optimized, for example, to the effect that, for example, the emission behavior in the expansion space is positively influenced and / or the pressure in the expansion space defined (for example, for increased efficiency) is set and / or adjusted so that the noise emission during the combustion process in the expansion space is minimized.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich einsetzen, wenn die Freikolbenvorrichtung mit gleichbleibender Last oder nahezu gleichbleibender Last und insbesondere gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender elektrischer Leistungsabgabe betrieben wird (stationärer Betrieb). Grundsätzlich lassen sich auch Lastwechselvorgänge berücksichtigen (instationärer Betrieb). Es ist dabei grundsätzlich möglich, auf eine aktive Regelung umzuschalten, bei welchem insbesondere der Weg-Zeit-Verlauf der Kolbenbewegung über den Lineartrieb regelnd vorgegeben wird. Bei einer solchen aktiven Regelung über den Lineartrieb erfolgt eine direkte Reaktion auf eine Abweichung des Ist-Werts von dem Soll-Wert durch Veränderung der Parameter des Lineartriebs. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dagegen über das Kraftprofil die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung über den Expansionsraum und die Rückfedereinrichtung direkt eingestellt.The inventive method can be insert when the free piston device with constant load or nearly constant load and in particular more consistent or nearly constant electrical power output operated becomes (stationary operation). Basically leave also take into account load changes (transient operation). It is basically possible to switch to an active control in which in particular the path-time curve of the piston movement over the linear drive is prescribed regulating. In such an active Control via the linear drive is a direct reaction to a deviation of the actual value from the target value by change the parameter of the linear drive. In the inventive The solution, on the other hand, is the application of force via the force profile the piston device via the expansion space and the return spring means set directly.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine entsprechende Steuerungs- und Regelungseinrichtung hierarchisch aufbauen, wobei sich in der Regelung eine Trennung zwischen schnell ablaufenden Vorgängen (Signalauswertungen und Aktorenansteuerung) und langsamer ablaufenden Regelungsprozessen in der Größenordnung der Zeitdauer eines Kolbenhubs durchführen lassen.at the solution of the invention leaves a corresponding control and regulation device hierarchically build up, whereby in the regulation a separation between fast ongoing processes (signal evaluation and actuator control) and slower regulatory processes of the order of magnitude let the duration of a piston stroke perform.
Der Kolbenhub ist dabei der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt einer entsprechenden Position der Kolbeneinrichtung bezogen auf den Expansionsraum. Der Hubraum ist der zugehörige Raum, welcher begrenzt ist durch den oberen Totpunkt und den unteren Totpunkt. Die Verdichtung ist das (minimale) Volumen zwischen einer Innenseite einer stirnseitigen Wand einer Kolbenaufnahme, in welcher die Kolbeneinrichtung angeordnet ist (Zylinderwand) und der Kolbeneinrichtung, wenn diese im oberen Totpunkt positioniert ist. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis von diesem minimalen Volumen zu einem maximalen Volumen bei maximalem Kolbenhub.Of the Piston stroke is the distance between the top dead center and the bottom dead center of a corresponding position of the piston device related to the expansion area. The displacement is the associated Space bounded by top dead center and bottom one Dead center. The compression is the (minimal) volume between one Inside an end wall of a piston receiving, in which the piston device is arranged (cylinder wall) and the piston device, if this is positioned at top dead center. The compression ratio is the ratio of this minimum volume to one maximum volume at maximum piston stroke.
Günstig ist es, wenn bei der Vorgabe des Kraftprofils (des Lineartriebs) der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung. Es erfolgt dadurch eine ”thermodynamische” Regelung, bei welcher der elektrische Lineartrieb nicht regelnd eingesetzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Lösung stellt der Lineartrieb eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein. Die Flugbewegung der Kolbeneinrichtung ergibt sich abgeleitet aus dem vorgegebenen Kraftprofil. Bei einer aktiven Regelung des Lineartriebs wird dagegen der Weg-Zeit-Verlauf der Flugbewegung der Kolbeneinrichtung vorgegeben. Als direkte Reaktion auf eine Abweichung eines Ist-Werts von einem Soll-Wert an einem bestimmten Zeitpunkt wird die Sollkraftvorgabe durch den Lineartrieb geändert. Es wird dann bei der aktiven Regelung nicht die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft mit vorgegebenem Kraftprofil eingestellt.Cheap is it when when specifying the force profile (the linear drive) the course of movement of the piston device solely by the application of force by the expanding medium and the restoring force of Return spring device is controlled without path-time control for the movement of the piston device. It is done by it a "thermodynamic" control in which the electric linear drive is not used regulating. In the solution according to the invention provides the linear drive a reaction force according to the force profile. The flight movement the piston device is derived from the given Force profile. In an active control of the linear drive is against the path-time course of the flight movement of the piston device specified. In direct response to a deviation of an actual value from one Target value at a certain point in time becomes the target force specification changed by the linear drive. It will then be active Control does not force the piston device through the expanding medium and the restoring force with a predetermined Force profile adjusted.
Günstigerweise werden zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft beispielsweise über eine Gasfeder und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt. Dadurch kann man beispielsweise unter der Bedingung, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung der ausgekoppelten elektrischen Energie entspricht, eine Einregelung auf einen konstanten Sollhub durchführen.conveniently, To reset the piston movement, the restoring force for example via a gas spring and / or one or more Parameters that influence the expansion of the medium in the expansion space, set. This can be done, for example, under the condition that the usable work of the piston device of the decoupled corresponds to electrical energy, a regulation to a constant target stroke carry out.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum ein Verbrennungsraum und die Kolbeneinrichtung wird durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben.at In one embodiment, the expansion space is a combustion space and the piston device is characterized by combustion gases, which is the form expanding medium, driven.
Insbesondere umfassen Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden können, mindestens einen der folgenden Parameter: ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, mindestens eines Einlassschließens, mindestens eines Auslassöffnens, mindestens eines Auslassschließens, ein oder mehrere Zeitpunkte einer Einspritzung von Brennstoff oder ein oder mehrere Zeitpunkte einer Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.Especially include parameters for the expansion space, which the piston movement influence and which can be adjusted, at least one of the following parameters: one or more times at least an inlet opening, at least one inlet closing, at least one outlet opening, at least one outlet closing, one or more times of an injection of fuel or one or more times an ignition for a combustion, injection quantity, gas mass in the expansion space.
Parameter der Rückfedereinrichtung, durch welche die Rückstellkraft einstellbar ist, sind beispielsweise Druck, Temperatur, Maximalvolumen und Minimalvolumen in einem Rückfederraum, insbesondere wenn die Rückfedereinrichtung eine Gasfeder ist, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Verspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.parameter the return spring means, by which the restoring force is adjustable, for example, pressure, temperature, maximum volume and minimum volume in a resilience space, in particular when the return spring means is a gas spring, spring characteristic for the restoring force, tensioning of a spring device, Gas mass in the springback space.
Ein energetischer Zustand des Gesamtsystems wird aus gemessenen (insbesondere thermodynamischen) Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbeneinrichtung berechnet. Insbesondere wird ein entsprechendes Integral berechnet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es grundsätzlich möglich, dass die nutzbare Arbeit, welche für eine vollständige Kolbenhubbewegung berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer nächsten Periode zu schließen, wenn davon ausgegangen werden kann, dass ein stationärer Betrieb vorliegt. Es kann dann aus der ermittelten nutzbaren Arbeit eine entsprechende Regelung durchgeführt werden, um beispielsweise einen definierten Sollhub und/oder eine definierte Verdichtung einzustellen.An energetic state of the entire system is measured (in particular thermodynami ) variables in the expansion space and / or a resilience space of the return spring means and position data of the piston device calculated. In particular, a corresponding integral is calculated. In the solution according to the invention, it is possible in principle for the useful work, which has been calculated for a complete piston stroke movement, to conclude on the useful work of a next period, if it can be assumed that there is stationary operation. It can then be carried out from the determined usable work a corresponding regulation, for example, set a defined target stroke and / or a defined compression.
Beispielsweise werden zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung der Dissipationsenergie verwendet. Die dem System durch die Expansion des expandierenden Mediums eingeprägte mechanische Energie kann nicht vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden, da dissipative Verluste vorliegen. Solche irreversiblen Verlustenergien tragen nicht zur technisch nutzbaren Arbeit bei und müssen entsprechend bei der Bestimmung der technischen nutzbaren Arbeit aus dem Integral über das Kraftprofil abgezogen werden. Durch Verwendung eines oder mehrerer entsprechender Modelle lässt sich dann die technisch nutzbare Arbeit berechnen.For example One or more models are used to determine work useful used to determine the dissipation energy. The system imprinted by the expansion of the expanding medium Mechanical energy can not be completely electrical Energy are converted because there are dissipative losses. Such irreversible energy losses do not contribute to the technically usable Work in and must be used in determining the technically usable work from the integral over the force profile subtracted from. By using one or more appropriate Models can then calculate the technically usable work.
Es kann vorgesehen sein, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen (innerhalb einer Periode) geschlossen wird. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Last oder wenig veränderlicher Last die Regelung der Kolbenbewegung auf einfache Weise durchführen. Insbesondere lässt sich dadurch auf einfache Weise das Kraftprofil einstellen.It can be provided that from the usable work, which for a period has been calculated on the usable work of one or more several temporally following Kolbenhubbewegungen (within a Period) is closed. This can be maintained at the same Load or little variable load the regulation of the piston movement perform in a simple manner. In particular, lets thereby easily adjust the force profile.
Beispielsweise wird ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem bestimmten Hubbereich eingestellt und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich eingestellt und/oder es wird eine definierte Verdichtung eingestellt. Durch entsprechende Vorgabe des Kraftverlaufs ist dies auf einfache Weise möglich.For example becomes a stroke of movement of the piston device in a certain Adjusted stroke range and / or a decoupling force of the electrical Set linear actuator in a certain range of force and / or A defined compression is set. By appropriate Presetting the force curve, this is possible in a simple manner.
Beispielsweise kann bei einer Einregelung auf einen bestimmten Kraftbereich erreicht werden, dass eine Mindestkraft überschritten wird bzw. eine Höchstkraft nicht überschritten wird. Es kann beispielsweise auch auf eine konstante Auskopplungskraft eingeregelt werden.For example can be reached at a regulation to a certain range of force be that a minimum force is exceeded or a maximum force is not exceeded. It For example, it can also be adjusted to a constant decoupling force become.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt. Das Regelungsziel ist es, die Änderungen im Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt zu minimieren beziehungsweise die Verdichtungsänderung zu minimieren.at An embodiment is set to a constant stroke and / or a constant compression and / or constant compression ratio regulated. The regulatory goal is to change the hub the movement of the piston device between a bottom dead center and to minimize a top dead center or the compression change to minimize.
Insbesondere wird eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben und/oder variiert, wobei die konkrete Abhängigkeit von der speziellen Regelungsstrategie abhängt.Especially is defined a force-distance dependence of the force defined and / or varies, with the concrete dependence on depends on the specific regulatory strategy.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Kraftprofil auch innerhalb einer Periode modifiziert wird, um beispielsweise eine Anpassung an Laständerungen zu ermöglichen oder um eine bestimmte Regelungsstrategie zu optimieren. Das Kraftprofil kann grundsätzlich zeitabhängig modifiziert werden.It For example, it is also possible that a force profile as well is modified within a period, for example a To allow adaptation to load changes or to optimize a specific control strategy. The force profile can always be modified time-dependent.
Bei einer Ausführungsform wird während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über der Periode abgeschätzt und gegebenenfalls wird das Kraftprofil modifiziert. Aus den bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten (insbesondere Position der Kolbeneinrichtung und thermodynamischen Größen) kann das Integral über die Periode abgeschätzt werden. Es kann dann zur Optimierung der Regelungsstrategie, sofern nötig, das Kraftprofil modifiziert werden, um die erwünschten Effekte zu erzielen. Es kann beispielsweise ein Kraftprofil mit einer quantitativ oder qualitativ anderen Kraft-Weg-Abhängigkeit verwendet werden, um eine Anpassung an die tatsächlich vorliegenden Verhältnisse zu ermöglichen. Beispielsweise ist es möglich, das Kraftprofil so zu modifizieren, dass eine Verdichtung in einem definierten Wertbereich liegt. Während einer Periode kann korrigierend eingegriffen werden. Beispielsweise wird in einer Kompressionsphase die Verdichtung auf einen Soll-Wert eingestellt. Dies kann erforderlich sein, beispielsweise wenn ein Verbrennungsvorgang grundsätzlich instationär ist und nur eingeschränkt deterministisch beschrieben werden kann, sodass eine exakte Vorausberechnung nicht möglich ist. Durch einen korrigierenden Eingriff ist eine exakte Vorausberechenbarkeit nicht notwendig. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt der Regeleingriff über Anpassung des Kraftprofils und nicht über direkte Positionierung der Kolbeneinrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einer Ist-Position. Sollte sich beispielsweise durch entsprechende Messungen abzeichnen, dass die Verdichtung zu niedrig wird, so wird der Betrag der Kraft erniedrigt, sodass weniger Energie über den Lineartrieb ausgekoppelt werden kann. Dadurch steht mehr Verdichtungsenergie zur Verfügung, sodass sich die Verdichtung und das Verdichtungsverhältnis erhöhen.In one embodiment, during a period of piston movement, the integral over the period is estimated, and optionally, the force profile is modified. From the data determined up to a certain point in time (in particular position of the piston device and thermodynamic variables), the integral over the period can be estimated. It can then be modified to optimize the control strategy, if necessary, the force profile to achieve the desired effects. For example, a force profile with a quantitatively or qualitatively different force-distance dependency can be used in order to allow an adaptation to the actual conditions. For example, it is possible to modify the force profile such that a compression lies in a defined value range. During a period can be intervened corrective. For example, in a compression phase, the compression is set to a desired value. This may be necessary, for example, if a combustion process is basically unsteady and can only be described with limited determinism, so that an exact prediction is not possible. Corrective intervention does not require exact predictability. In the solution according to the invention, the control intervention takes place via adaptation of the force profile and not via direct positioning of the piston device at a certain time on an actual position. If, for example, measurements prove that the compression is becoming too low, the amount of force is reduced so that less energy can be extracted via the linear drive. As a result, more compaction energy is available, so that the compression and increase the compression ratio.
Günstig ist es, wenn eine Verdichtung mittels des Rückfederraums eingestellt und/oder variiert wird. Durch eine variable Kennlinie beispielsweise einer Gasfeder kann die in dem Rückfederraum gespeicherte Energiemenge beeinflusst und damit die für die Kompressionsphase der Kolbeneinrichtung zur Verfügung stehende Energie festgelegt werden. Die beispielsweise in einer Gasfeder gespeicherte Energie, welche für die Rückstellung der Kolbeneinrichtung verwendet wird, ergibt sich als Summe der (noch auszukoppelnden) technisch nutzbaren Arbeit, der Verdichtungsenergie für einen Expansionsraum und aus Dissipationsverlusten. Die Verdichtungsenergie vom Expansionsraum ist das Integral der Kompressionskraft über den Weg (Kompressionsenergie). Damit ist auch der obere Totpunkt im Expansionsraum vorgegeben; wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und dadurch verringert sich die Verdichtung beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis.Cheap it is when a compression by means of the resilience space adjusted and / or varied. Through a variable characteristic For example, a gas spring can in the resilience space stored energy and thus affects the for the compression phase of the piston device available fixed energy. The example in a Gas spring stored energy, which is for the provision the piston device is used, results as the sum of (still to be coupled out) technically usable work, the compaction energy for an expansion space and dissipation losses. The compression energy from the expansion space is the integral of the Compression force over the way (compression energy). In order to is also given the top dead center in the expansion space; if less Energy is stored in the return spring device, then only a small compression energy is available and this reduces the compression or the Compression ratio.
Es ist vorteilhaft, wenn umschaltbar ist von einer oder auf eine Betriebsweise, in der der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung aktiv und insbesondere in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit einstellt. Dadurch ist eine Umschaltung zwischen ”aktivem” (regelnden) und ”passivem” (nicht-regelnden) Betrieb des elektrischen Lineartriebs möglich. Dadurch ergeben sich erweiterte Nutzungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann bei der Umschaltung auf einen aktiven Betrieb des elektrischen Lineartriebs, bei dem dieser die Kolbenbewegung aktiv beeinflusst, auf einfache und schnelle Weise eine Anpassung an eine Laständerung erfolgen.It is advantageous when it is possible to switch from one mode to another, in which the electric linear drive the course of movement of the piston device active and especially in its path-time dependence established. This is a switch between "active" (regulating) and "passive" (non-regulatory) operation of the electric Linear drive possible. This results in extended possibilities of use. For example can be used when switching to an active operation of the electric Linear drive, in which this actively influences the piston movement, in a simple and fast way to adapt to a load change respectively.
Insbesondere beeinflusst der elektrische Lineartrieb aktiv den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase.Especially the electric linear drive actively influences the course of the movement the piston device in a start phase and / or fault phase and / or transitional phase.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Regelung mindestens zwei hierarchisch gegliederte Ebenen aufweist, wobei in einer ersten Ebene auf einer Zeitskala kleiner als die Zeitdauer eines Kolbenhubs am Freikolbenmotor angeordnete Sensoren Signale abgeben und Aktoren den Freikolbenmotor ansteuern, in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit eines oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt. Dadurch lässt sich eine Trennung durchführen zwischen Vorgängen, auf die unmittelbar reagiert werden muss bzw. die unmittelbar ausgewertet werden müssen und Ereignissen, die auf einer langsameren Zeitskala, nämlich der Zeitskala eines vollständigen Kolbenhubs stattfinden.It has proved favorable if the scheme at least has two hierarchically structured levels, wherein in a first Level on a time scale smaller than the duration of a piston stroke Sensors arranged on the free-piston engine deliver signals and actuators to drive the free piston engine, in a second level, which the is hierarchically superior to the first level, a control calculation for the piston movement on the basis of the calculated usable work of one or more previous complete ones Strokes of the piston device is carried out wherein between the first level and the second level a data exchange he follows. This can be a separation between operations that are immediately reacted to must or must be evaluated immediately and Events on a slower time scale, namely the time scale of a complete piston stroke take place.
Insbesondere erfolgt in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub. Dadurch kann auf einfache Weise aus der berechneten nutzbaren Energie eine Parametereinstellung, sofern notwendig, für den nächsten oder einen weiterfolgenden Kolbenhub erfolgen.Especially in the second level, a control calculation for a subsequent piston stroke based on the determination of usable Work for a current and / or previous piston stroke. Thereby can easily from the calculated usable energy one Parameter setting, if necessary, for the next or a subsequent piston stroke done.
Es ist ferner günstig, wenn eine dritte Ebene vorgesehen ist, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird. In der dritten Ebene kann beispielsweise auch eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgen oder es kann eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt werden.It is also favorable if a third level is provided, which is hierarchically superior to the second level, in which carried out a monitoring of the piston movement becomes. In the third level, for example, a sync the movement of several piston devices done or it can a monitoring and / or control of load changes be performed.
Insbesondere erfolgt dann zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch.Especially then takes place between the third level and the second level Data exchange.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments used in conjunction with the drawings for further explanation the invention. Show it:
Ein
Ausführungsbeispiel einer Freikolbenvorrichtung, welches
in
Der
Freikolbenmotor
In
der Kolbenaufnahme
Die
Kolbeneinrichtung
Der
Expansionsraum
Bei
einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum
Es
ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum
Der
zweite Kolben
Zwischen
der zweiten Kolbenfläche
Bei
einem Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung
Durch
das expandierende Medium, welches kräftemäßig
auf den ersten Kolben
Der
erste Kolben
Der
erste Kolben
Der
elektrische Lineartrieb
Die
Statoreinrichtung
Durch
die Bewegung der Läufereinrichtung
Es
ist auch möglich, wie in der
Es
ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung
An
der ersten Stirnwand
Es
kann ferner eine Einspritzeinrichtung (
Weiterhin
kann eine Zündungseinrichtung
Weiterhin
ist dem Expansionsraum
Die
Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Signale
der Sensoreinrichtung
Die
Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Es
ist eine Sensoreinrichtung
Bei
einem Ausführungsbeispiel ist dem Rückfederraum
Der
Druckspeicher
Dem
Rückfederraum
In
Durch
eine zeitlich sich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum
Die
Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Auf
der ersten Ebene
Die
Expansionsraumregelungseinrichtung
Ferner
umfasst die erste Ebene
Ferner
umfasst die erste Ebene
In
der ersten Ebene
In
der zweiten Ebene
Die
dritte Ebene
Die
Ebenen
In
der dritten Ebene
Durch die hierarchische Gliederung lassen sich die unterschiedlichen Zeitskalen für Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge trennen. Dadurch können die Regelungsvorgänge optimiert werden.By the hierarchical structure allows the different time scales for control operations and control operations separate. This allows the control operations be optimized.
Erfindungsgemäß wird
die Bewegung der Kolbeneinrichtung
Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird dagegen
eine ”freie” Schwingung der Kolbeneinrichtung
In
Es ist zu beachten, dass, wie unten noch näher erläutert wird, die Regelung so durchführbar ist, dass der Kolbenhub S fest ist. Dieser feste Kolbenhub ist dann die Größe, auf die einzuregeln ist.It It should be noted that, as explained in more detail below is, the scheme is feasible so that the piston stroke S is fixed. This fixed piston stroke is then the size, is to regulate on the.
Erfindungsgemäß ist
es vorgesehen, dass ein Einregelungsvorgang auf einen stationären
Betrieb und der stationäre Betrieb selber so durchgeführt
wird, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung
Die nutzbare Arbeit WN pro Kolbenspiel istThe usable work W N per piston play is
Sie
setzt sich zusammen aus einem Beitrag des Expansionsraums
Die über
den elektrischen Lineartrieb
FL ist dabei die wirkende mechanische Kraft, welche der Auskopplungskraft entspricht.F L is the acting mechanical force, which corresponds to the decoupling force.
Wenn
der elektrische Lineartrieb
Wenn
der Anteil Wdiss bekannt ist bzw. abgeschätzt
werden kann, lässt sich die nutzbare Arbeit pro Kolbenhub
berechnen. Durch Vorgabe der Bedingungen im Expansionsraum
Der Verlauf der Kraft FL ist bezogen auf einen Kolbenhub grundsätzlich beliebig, solange die Bedingung WL = WN erfüllt ist. Es sind deshalb unterschiedliche Vorgaben für den Verlauf der Kraft (für das Kraftprofil der Wegabhängigkeit der Kraft) möglich. Über diese Vorgaben wiederum ist eine Regelungsstrategie durchführbar.The course of the force F L is basically arbitrary with respect to a piston stroke as long as the condition W L = W N is fulfilled. There are therefore different specifications for the course of the force (for the force profile of the path dependence of the force) possible. In turn, a regulatory strategy can be implemented via these specifications.
Eine
Regelungsstrategie kann so erfolgen, dass der Kolbenhub S in einem
bestimmten Wertebereich liegt und/oder die Kraft FL in
einem bestimmten Wertebereich und/oder die Verdichtung in einem
bestimmten Wertebereich liegt und/oder das Verdichtungsverhältnis
in einem bestimmten Wertebereich liegt. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Regelungsstrategie derart, dass der Kolbenhub fest ist,
d. h. die Regelgröße ist ein fester Kolbenhub
S; es erfolgt eine Vorgabe des Kolbenhubs S bei einem freien Bewegungsverlauf
der Kolbeneinrichtung
In
der
Dabei
x(tUT) die Position des ersten Kolbens
Die Kraft FL, max ist definiert als The force F L, max is defined as
Dabei ist kA ein Flächenfaktor.Where k A is an area factor.
Über
die Vorgabe des Kraftprofils der Kraft lässt sich eine
Regelung durchführen mit der Regelungsstrategie, eine freie
Bewegung der Kolbeneinrichtung
Je
nach Anwendung kann ein entsprechendes Kraftprofil gewählt
werden. Beispiele für Kraftverläufe sind in den
In
Die
Eingriffsmöglichkeiten bei der Regelung liegen in der entsprechenden
Ansteuerung der Aktoren des Freikolbenmotors
Wie
in
Weiterhin
lassen sich die Verhältnisse im Rückfederraum
Beispielsweise
kann über Einstellung des Drucks im unteren Totpunkt UTr des Rückfederraums
Es
erfolgt dabei eine entsprechende Regelungsstrategie in der zweiten
Ebene
Bei
der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt,
eventuell ausgehend von einer Startphase, bei welcher der elektrische
Lineartrieb
Die
Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche
die Kraftbeaufschlagung des ersten Kolbens
Die
Regelung ist eine ”thermodynamische” Regelung.
Es werden entsprechende thermodynamischen Größen
im Expansionsraum
Durch die Lösung ist es beispielsweise möglich, auf einen konstanten Kolbenhub S einzuregeln, d. h. auf minimale Änderungen im Kolbenhub einzuregeln.By For example, the solution is possible to regulate a constant piston stroke S, d. H. on minimal changes adjust in the piston stroke.
In
den
Zu
dem Kraftprofil
Man sieht, dass ein entsprechendes Abkühlverhalten über das verwendete Kraftprofil eingestellt werden kann. Dadurch wiederum lässt sich das Emissionsverhalten positiv beeinflussen (beispielsweise lassen sich bestimmte Abkühlkurven einstellen, wobei die Abkühlkurven wiederum die Partikelentstehung bestimmen).you sees that a corresponding cooling behavior over the force profile used can be adjusted. This in turn the emission behavior can be positively influenced (for example, you can set certain cooling curves, the cooling curves in turn the particle formation determine).
In
den
Das
Kraftprofil
Das
Kraftprofil
In
Die Nebenbedingung ist, dass der Flächeninhalt über ein Kraftprofil über eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Energie entspricht, welche dann über den elektrischen Lineartrieb als elektrische Energie auskoppelbar ist.The Secondary condition is that the area over a force profile over a period of movement of the piston device corresponds to the usable energy, which then over the electric linear drive as electrical energy can be coupled out.
Es ist grundsätzlich möglich, dass verschiedene Anforderungen wie beispielsweise Temperaturverhalten, Geräuschemission etc. bei der Verwendung des Kraftprofils berücksichtigt werden.It is basically possible that different requirements such as temperature behavior, noise emission etc. taken into account when using the force profile become.
Die
Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Grundsätzlich kann die nutzbare Arbeit während einer Periode der Kolbenbewegung aus der nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehenden Kolbenbewegungsperioden abgeschätzt werden, um eine entsprechende Regelung durchzuführen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass innerhalb einer Periode der Kolbenbewegung die nutzbare Arbeit für diese Periode abgeschätzt wird, in dem die von Beginn zur Periode bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten verwendet werden, um die nutzbare Arbeit für die gesamte Periode abzuschätzen. Gegebenenfalls wird dann das Kraftprofil modifiziert, um eine optimierte Regelung entsprechend der gewählten Regelungsstrategie zu erhalten.Basically, the useful work during a period of the piston movement can be estimated from the useful work of one or more previous piston movement periods to achieve an ent to carry out the appropriate regulation. It can also be provided that, within a period of the piston movement, the useful work for this period is estimated, in which the data determined from the beginning to the period until a certain point in time are used in order to estimate the useful work for the entire period. Optionally, then the force profile is modified to obtain an optimized control according to the selected control strategy.
Grundsätzlich ist es so, dass beim Betreiben eines Freikolbenmotors bei Volllast der Hub (Hubraum) größer ist als bei Teillast. Bei Teillast wird der Hubraum reduziert. Durch Einstellung des Hubs und/oder Verdichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich entsprechend den Lastverhältnissen ein optimierter Betrieb erreichen und es lässt sich optimiert elektrische Energie auskoppeln.in principle it is such that when operating a free-piston engine at full load the stroke (displacement) is greater than at partial load. At partial load, the displacement is reduced. By adjusting the stroke and / or compaction according to the invention Method can be adjusted according to the load conditions achieve optimized operation and it can be optimized Disconnect electrical energy.
Durch entsprechende Einstellung der Rückfedereinrichtung (beispielsweise durch Erhöhung des Drucks in einem unteren Totpunkt eines entsprechenden Rückfederraums) lässt sich eine Hubraumeinstellung in Kombination mit der Kraftprofileinstellung durchführen.By corresponding adjustment of the return spring means (for example by increasing the pressure in a bottom dead center of a corresponding resilience space) can be a Displacement adjustment in combination with the force profile adjustment carry out.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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