DE102008030633B4 - Method for operating a free-piston device - Google Patents
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Abstract
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, 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.A method of operating a free piston device comprising at least one free piston engine with a linear electric drive, said at least one free piston engine having a piston device which is driven in a linear motion under the action of a medium expanding in an expansion space and by a return spring means exerts a return 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 path for the piston device is given, the integral over a period of movement of the piston device corresponds to the usable work , which is convertible from 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 a restoring force exerts moved back in a reverse direction is, 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 ”Free-Piston Diesel Engine Timing and Control – Towards Electronic Cam- and Crankshaft” von T. A. Johansen et al., in IEEE Trans. Control Systems Technology, 10(188–190), 2002, und ”Dynamics and Control of a Free-Piston Diesel Engine” von T. A. Johansen et al., in Proc. American Control Conference, Arlington, VA., 2001, beschrieben.control and regulatory procedure for Free piston devices are described in the article "Free-Piston Diesel Engine Timing and Control - Towards Electronic Cam and Crankshaft "by T.A. Johansen et al., In IEEE Trans. Control Systems Technology, 10 (188-190), 2002, and "Dynamics and Control of a Free-Piston Diesel Engine "by T.A. Johansen et al., Proc. American Control Conference, Arlington, VA., 2001.
Aus
der
Aus
der
In dem Artikel ”Vergleich von Gasfedervarianten mit variabler Kennlinie für einen Freikolbenmotor” von S.-E. Pohl und C. Ferrari, Forsch. Ingenieurwesen (2007) 71: Seiten 181 bis 188, sind Gasfedervarianten beschrieben, die aufgrund ihrer einstellbaren Federkennlinie für den Einsatz in einem Freikolbenmotor geeignet sind.In the article "Comparison of gas spring variants with variable characteristic for a free-piston engine "of S.-E. Pohl and C. Ferrari, Research Engineering (2007) 71: Pages 181 to 188, gas spring variants are described, due to their adjustable spring characteristic for suitable for use in a free-piston engine.
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 predetermined a force profile of a force-displacement curve for the piston device becomes, its 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 from the lower Dead center to top dead center and an expansion phase in the expansion space for the Movement from top dead center 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 is the piston device due to the acting forces in the expansion space and due to the restoring force "free" move allow. The force profile is thereby in its path-time dependence given, in principle while the piston movement of this force profile by a control intervention can be modified. The linear drive focuses on the application of force the piston device a reaction force, which accordingly affects the movement of the piston.
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 Force in a period of technically usable work in a 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 if the dissipative energy is known or a similar 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 way-time dependence the piston movement is not regulated directly, that is it is no predetermined path-time curve for the piston movement is set, but the course of motion results as a consequence of the used force profile.
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 used force profile is in particular to the appropriate application customized. For example, a hub and / or a compression set. The force profile can be optimized, for example, to this effect that, for example, the emission behavior in the expansion space positively influenced and / or the pressure in the expansion area defined (for example increased efficiency) is set and / or adjusted will that noise emission is minimized during the combustion process in the expansion space.
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 let yourself 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 Business). in principle can also load changes consider (unsteady Business). It is basically possible, to switch to an active control, in which in particular the path-time curve of the piston movement via the linear drive regulating is given. In such an active control over the Linear drive is a direct reaction to a deviation of the Actual value of that Target value through change the parameter of the linear drive. In the solution according to the invention against it over the force profile, the application of force to the piston device over the Expansion space and the return spring device 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 according to the invention can be a corresponding control and Hierarchically build control device, wherein in the scheme a Separation between fast running processes (signal evaluations and Actuator control) and slower running control processes in 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, which is bounded by top dead center and bottom dead center. The compression is the (minimum) volume between an 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 relationship from this minimum volume to a 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, if in the specification of the force profile (the linear drive) of the Movement of the piston device solely by the application of force by the expanding medium and the restoring force of the return spring means is controlled without path-time control for the movement of the piston device. This results in a "thermodynamic" control, in which the electric linear drive is not used regulating becomes. In the solution according to the invention provides the linear drive a reaction force according to the force profile one. The flight movement of the piston device results derived from the given force profile. In an active control of the Linear drive, however, is the path-time course of the flight movement the piston device specified. As a direct reaction to a Deviation of an actual value from a target value at a certain value At the time the nominal force specification is changed by the linear drive. It then does not force the active control the piston device by the expanding medium and the restoring force set with predetermined force profile.
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 affecting the expansion of the medium in the expansion space. Thereby You can, for example, under the condition that the usable work the piston device corresponds to the decoupled electrical energy, to carry out a regulation to a constant setpoint stroke.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum ein Verbrennungsraum und die Kolbeneinrichtung wird durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben.at an embodiment the expansion space is a combustion chamber and the piston device is caused by combustion gases, which form the 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 influence the piston movement and which can be adjusted at least one of the following parameters: one or more times at least one inlet opening, at least one inlet closing, at least one outlet opening, at least one outlet closure, one or more times of an injection of fuel or one or more times of ignition for a combustion, injection quantity, Gas mass in the expansion space.
Parameter der Rückfedereinrichtung, durch weiche 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 device, by soft 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 a gas spring is, spring characteristic for the restoring force, tension one 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.One energetic state of the whole system is measured from (in particular thermodynamic) sizes in the expansion space and / or a resilience space the recoil device and position data of the piston device calculated. Especially a corresponding integral is calculated. In the solution according to the invention it basically possible, that the usable work required for a complete piston stroke movement was calculated to infer the useful work of a next period, if any can be assumed that a stationary operation is present. It can then from the determined usable work a corresponding regulation carried out be, for example, a defined target stroke and / or a set 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 by the expansion of the expanding medium impressed mechanical Energy can not be complete be converted into electrical energy because dissipative losses available. Such irreversible energy losses do not contribute technically usable work and must be used accordingly in the determination the technically usable work from the integral over the force profile subtracted from. By using one or more appropriate Models leaves 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 was calculated on the usable work of one or more temporally following piston strokes (within one period) closed becomes. By doing so leaves at a constant load or little variable load, the scheme Perform the piston movement in a simple manner. In particular, can be 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 exceeded a minimum force becomes or a maximum force not exceeded becomes. For example, it can also be based on a constant decoupling force be adjusted.
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 at a constant lift and / or a constant compression and / or constant compression ratio regulated. The regulatory goal is to change the stroke of the movement the piston device between a bottom dead center and a to minimize 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 becomes a force-distance dependence the force defines predetermined and / or varies, whereby the concrete dependence 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 is also possible, for example, that a force profile is also modified within a period to for example, to allow adaptation to load changes or to optimize a specific control strategy. The force profile can basically time-dependent be modified.
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 used to optimize the regulatory strategy, so necessary, the force profile can be modified 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, which increases the compression and 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 is it when a compression set by means of the resilience space and / or is varied. Through a variable characteristic, for example one Gas spring may be the one in the resilience space stored energy amount and thus the for the compression phase the piston device available fixed energy. The example in a Gas spring stored energy, which for the provision of the piston device is used, is the sum of the (still to be coupled out) technically usable work, the compaction energy for a Expansion space and dissipation losses. The compaction energy from the expansion space is the integral of the compression force over the Way (compression energy). This is also the top dead center in Expansion space given; if less energy in the recoil device is stored, then there is only a small compression energy to disposal 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 in particular in its path-time dependence sets. Thereby is a switch between "active" (regulatory) and "passive" (non-regulatory) operation 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 been considered favorable proved, if the regulation at least two hierarchically arranged Has levels, being in a first level on a time scale smaller than the duration of a piston stroke arranged on the free-piston engine Sensors emit signals and actuators activate the free-piston engine, in a second level, which is hierarchically superior to the first level is, a regulation calculation for the piston movement on the basis of the calculated usable Work of one or more preceding complete strokes of the piston device is performed, wherein between the first level and the second level a data exchange he follows. By doing so leaves to perform a separation between operations, must be reacted to immediately or evaluated immediately Need to become and events occurring on a slower time scale, namely the Time scale of a complete Piston strokes 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 following piston stroke based on the determination of usable work for one current and / or previous piston stroke. This can be easy on A parameter setting from the calculated usable energy 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 cheap if a third level is provided, that of the second level hierarchically superior is in which a surveillance performed the piston movement becomes. In the third level, for example, a sync the movement of several piston devices done or it can a surveillance and / or control of load changes.
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.The following description of preferred embodiments is in connection with the Drawings of the detailed explanation of the invention.
Es zeigen:It demonstrate:
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. Thereby can the regulatory 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 will be explained in more detail below, the scheme so feasible is that the piston stroke S is fixed. This fixed piston stroke is then the size, up which is to be regulated.
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 ist The 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 the solution is it possible, for example, to adjust to 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 used force profile can be adjusted. This in turn let yourself positively influence the emission behavior (for example, can be certain cooling curves adjust, with the cooling curves again determine particle formation).
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 usable energy piston device corresponds, which then over the electric linear drive can be coupled out as electrical energy is.
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 etc. are taken into account when using the force profile.
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 usable work during a period of piston movement from the useful work of a or several previous piston movement periods are estimated, to carry out a corresponding regulation. It can also be provided be that within a period of piston movement the usable Work for estimated this period becomes, in which the from the beginning to the period up to a certain one Date determined data used to work useful for the estimate the entire period. Optionally, the force profile is then modified to an optimized Regulation according to the selected To receive regulatory 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.Basically it so that when operating a free piston engine at full load the Hub (displacement) is greater as at partial load. At partial load, the displacement is reduced. By Adjustment of the stroke and / or compression according to the method of the invention let yourself according to the load conditions achieve optimized operation and it can be optimized electrical Disconnect 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 appropriate adjustment of the return spring device (for example, by increasing the pressure in a bottom dead center of a corresponding resilience space) let yourself a displacement adjustment in combination with the force profile adjustment carry out.
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