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.

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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 WO 03/091556 A1 und der EP 1 398 863 A1 bekannt.Corresponding free piston devices are for example from the WO 03/091556 A1 and the EP 1 398 863 A1 known.

Aus der WO 2007/147789 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welchem die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zustandsgröße eines Gases im Rückfederraum vorgegeben wird, der Istwert erfasst wird und bei Abweichung vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.From the WO 2007/147789 A1 a method for operating a free-piston device is known in which the restoring force in the operation of the free-piston device is controlled and / or regulated by the desired value of at least one state variable of a gas in the resilience space is specified, the actual value is detected and at deviation from the target value at least approximately to the same is adjusted.

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 DE 43 44 915 A1 ist ein Linearverbrennungsmotorgenerator bekannt, bei dem zwei gegenüberliegende, nach Zweitakt-Prinzip arbeitende Kolben einen Läufer mit einem oder mehreren spulenförmigen Magnetpolpaaren zu Hin- und Her-Linearbewegungen bringen und dadurch am zylinderförmigen Ständer in den Wicklungen elektrischen Strom erzeugen.From the DE 43 44 915 A1 For example, a linear combustion engine generator is known in which two opposed pistons operating on a two-stroke principle bring a rotor with one or more coil-shaped pairs of magnetic poles into reciprocating linear motion and thereby generate electric current on the cylindrical stator in the windings.

Aus der DE 198 13 992 A1 ist eine Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskopplung bekannt. Es ist ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder vorgesehen, welcher durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird. Die Energieauskopplung erfolgt auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum angeordnete Spulen.From the DE 198 13 992 A1 is a free-piston internal combustion engine with electrical energy output known. It is a non-metallic, permanent magnetic piston provided in a cylinder, which is offset by combustion pressure in linear oscillatory movements. The energy extraction takes place inductively by arranged around the cylinder coils.

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:

1 eine schematische Darstellung einer Freikolbenvorrichtung mit einem Freikolbenmotor mit elektrischem Lineartrieb; 1 a schematic representation of a free piston device with a free-piston engine with electric linear drive;

2 eine schematische Darstellung einer hierarchisch gegliederten Steuerungs-/Regelungseinrichtung; 2 a schematic representation of a hierarchically structured control / regulation device;

3 eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs der Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für die ”freie” Bewegung einer Kolbeneinrichtung, wobei die Lage eines oberen Totpunkts (OTex) und unteren Totpunkts (UTex) dargestellt ist; 3 a schematic representation of a typical course of the speed as a function of time for the "free" movement of a piston device, wherein the position of a top dead center (OT ex ) and bottom dead center (UT ex ) is shown;

4(a) bis (e) verschiedene Möglichkeiten für den Verlauf einer Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten; 4 (a) bis (e) different possibilities for the course of an output force in dimensionless coordinates;

5(a) bis (c) weitere Möglichkeiten für den Verlauf der Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten bei unterschiedlicher Energieverteilung fE bezüglich einer Expansionsphase und einer Kompressionsphase; 5 (a) to (c) further possibilities for the course of the outcoupling force in dimensionless coordinates with different energy distribution f E with respect to an expansion phase and a compression phase;

6 schematisch einen Ausschnitt aus einem Weg-Zeit-Verlauf der Kolbeneinrichtung mit ausgezeichneten ”Ereignispunkten”; 6 schematically a section of a path-time curve of the piston device with excellent "event points";

7(a) und (b) Beispiele für unterschiedliche Kraftverläufe; 7 (a) and (b) examples of different force profiles;

7(c) schematisch dem zeitabhängigen Temperaturverlauf in einem Expansionsraum bei den Kraftverläufen gemäß 7(a) und (b); 7 (c) schematically the time-dependent temperature profile in an expansion space in the force curves according to 7 (a) and (b);

8(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe; 8 (a) and (b) different force profiles;

8(c) ein Druck-Volumen-Diagramm jeweils für die Kraftverläufe gemäß 8(a) und (b); 8 (c) a pressure-volume diagram respectively for the force curves according to 8 (a) and (b);

9(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe; 9 (a) and (b) different force profiles;

9(c) ein Druck-Volumen-Diagramm für die Kraftverläufe gemäß 9(a) und (b) (schematisch). 9 (c) a pressure-volume diagram for the force courses according to 9 (a) and (b) (schematically).

Ein Ausführungsbeispiel einer Freikolbenvorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14. Es ist grundsätzlich so, dass die Freikolbenvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Freikolbenmotoren mit jeweiligem elektrischem Lineartrieb aufweisen kann.An embodiment of a free piston device, which in 1 shown and there with 10 is designated comprises a free-piston engine 12 with electric linear drive 14 , It is basically the case that the free piston device 10 may comprise a plurality of free-piston engines with respective electric linear drive.

Der Freikolbenmotor 12 weist eine Kolbenaufnahme 16 auf, welche beispielsweise zylindrisch ausgebildet ist mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Kolbenaufnahme 16 ist durch Kolbenwände 18 begrenzt.The free-piston engine 12 has a piston receptacle 16 which is cylindrical, for example, with a circular cross-section. The piston receiver 16 is through piston walls 18 limited.

In der Kolbenaufnahme 16 ist eine Kolbeneinrichtung 20 in einer Linearrichtung 22 beweglich. Diese Linearrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer Achse 24 der Kolbenaufnahme 16.In the piston receptacle 16 is a piston device 20 in a linear direction 22 movable. This linear direction is preferably parallel to an axis 24 the piston receiving 16 ,

Die Kolbeneinrichtung 20 umfasst einen ersten Kolben 26, einen zweiten Kolben 28 und eine Verbindungseinrichtung 30, welche den ersten Kolben 26 und den zweiten Kolben 28 miteinander verbindet. Der erste Kolben 26 weist eine erste Kolbenfläche 32 auf, welche einer ersten Stirnwand 34 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Zwischen der ersten Kolbenfläche 32 und der ersten Stirnwand 34 ist in der Kolbenaufnahme 16 ein Expansionsraum 36 gebildet. Ein expandierendes Medium kann in dem Expansionsraum 36 eine Kraft auf den ersten Kolben 26 ausüben und dadurch die Kolbeneinrichtung 20 in der Linearrichtung 22 in einer Bewegung antreiben.The piston device 20 includes a first piston 26 , a second piston 28 and a connection device 30 which the first piston 26 and the second piston 28 connects with each other. The first piston 26 has a first piston surface 32 on which a first end wall 34 the piston receiving 16 is facing. Between the first piston surface 32 and the first end wall 34 is in the piston receptacle 16 an expansion area 36 educated. An expanding medium may be in the expansion space 36 a force on the first piston 26 exercise and thereby the piston device 20 in the linear direction 22 to drive in one movement.

Der Expansionsraum 36 weist ein variables Volumen auf, welches abhängig ist von der Stellung des ersten Kolbens 26 in Relation zu der ersten Stirnwand 34.The expansion space 36 has a variable volume, which is dependent on the position of the first piston 26 in relation to the first end wall 34 ,

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum 36 ein Verbrennungsraum, in dem Brennstoff mit Oxidator verbrennen kann. Die Verbrennungsgase treiben dann die Kolbeneinrichtung 20 an.In one embodiment, the expansion space is 36 a combustion chamber in which fuel can burn with oxidizer. The combustion gases then drive the piston device 20 at.

Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum 36 ein Wärmeträgermedium expandiert und dabei die Kolbeneinrichtung 20 antreibt.It is also possible in principle in the expansion room 36 a heat transfer medium expands while the piston device 20 drives.

Der zweite Kolben 28 weist eine zweite Kolbenfläche 38 auf, welche einer zweiten Stirnwand 40 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Die erste Stirnwand 34 und die zweite Stirnwand 40 begrenzen die Kolbenaufnahme 16 stirnseitig. Die erste Kolbenfläche 32 und die zweite Kolbenfläche 38 sind abgewandt zueinander.The second piston 28 has a second piston surface 38 on which a second end wall 40 the piston receiving 16 is facing. The first end wall 34 and the second end wall 40 limit the piston intake 16 frontally. The first piston surface 32 and the second piston surface 38 are turned away from each other.

Zwischen der zweiten Kolbenfläche 38 und der zweiten Stirnwand 40 ist ein Rückfederraum 42 gebildet. In dem Rückfederraum 42 ist eine Rückfedereinrichtung 44 aufgenommen. Diese sorgt dafür, dass die Kolbeneinrichtung 20 durch Wirkung auf den zweiten Kolben 28 in Richtung der ersten Stirnwand 34 zurückbewegt wird.Between the second piston surface 38 and the second end wall 40 is a resilience space 42 educated. In the resilience space 42 is a springback device 44 added. This ensures that the piston device 20 by action on the second piston 28 towards the first end wall 34 is moved back.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung 44 ein komprimierbares Medium und insbesondere ein Gas. Die Rückfedereinrichtung 44 ist dann als Gasfeder ausgebildet. (Die Rückfedereinrichtung 44 kann grundsätzlich auch eine oder mehrere mechanische Federn aufweisen.)In one embodiment, the return spring means 44 a compressible medium and in particular a gas. The return spring device 44 is then designed as a gas spring. (The recoil device 44 may in principle also have one or more mechanical springs.)

Durch das expandierende Medium, welches kräftemäßig auf den ersten Kolben 26 wirkt, wird die Kolbeneinrichtung 20 in Richtung der zweiten Stirnwand 40 bewegt. In dem Rückfederraum 42, welcher ein variables Volumen aufweist, wird die Rückfedereinrichtung 44 komprimiert. Sie übt dann eine Rückstellkraft auf die Kolbeneinrichtung 20 aus, welche diese dann in Gegenrichtung auf die erste Stirnwand 34 zu bewegt.Due to the expanding medium, which is based on the first piston 26 acts, the piston device 20 in the direction of the second end wall 40 emotional. In the resilience space 42 which has a variable volume becomes the return spring means 44 compressed. It then exerts a restoring force on the piston device 20 out, which then this in the opposite direction on the first end wall 34 too moved.

Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind randseitig gegenüber der Kolbenaufnahme 16 abgedichtet. Eine solche Dichtung ist im Zusammenhang mit dem zweiten Kolben 28 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet. Dadurch sind der Expansionsraum 36 und der Rückfederraum 42 fluiddicht voneinander getrennt. Ferner ist ein Zwischenraum zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 fluiddicht von dem Expansionsraum 36 und dem Rückfederraum 42 getrennt.The first piston 26 and the second piston 28 are at the edge opposite the piston receiver 16 sealed. Such a seal is associated with the second piston 28 by the reference numeral 46 indicated. This is the expansion space 36 and the resilience space 42 fluid-tightly separated. Further, there is a gap between the first piston 26 and the second piston 28 fluid-tight from the expansion space 36 and the resilience space 42 separated.

Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind beabstandet zueinander mit dazwischenliegender Verbindungseinrichtung 30. Diese ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass bei gewährleisteter struktureller Steifigkeit die Masse der bewegten Kolbeneinrichtung 20 minimiert ist.The first piston 26 and the second piston 28 are spaced from each other with intermediate connection means 30 , This is advantageously designed so that, with guaranteed structural rigidity, the mass of the moving piston device 20 is minimized.

Der elektrische Lineartrieb 14 umfasst eine Läufereinrichtung 48 und eine Statoreinrichtung 50. Die Läufereinrichtung 48 ist zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 an der Verbindungseinrichtung 30 angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von beispielsweise ringförmigen Permanentmagneten 52a, 52b usw., welche mit alternierender Polung angeordnet sind. Mit der linearen Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 bewegt sich die Läufer einrichtung 48 linear innerhalb der Kolbenaufnahme 16 außerhalb des Expansionsraums 36 und außerhalb des Rückfederraums 42.The electric linear drive 14 comprises a rotor device 48 and a stator device 50 , The runner device 48 is between the first piston 26 and the second piston 28 at the connection device 30 arranged. It comprises a plurality of, for example, annular permanent magnets 52a . 52b etc., which are arranged with alternating polarity. With the linear movement of the piston device 20 moves the runner device 48 linear within the piston receptacle 16 outside the expansion area 36 and outside the resilience space 42 ,

Die Statoreinrichtung 50 ist außerhalb der Kolbenaufnahme stationär angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen 54, welche die Kolbenaufnahme 16 in dem Bereich umgeben, in welchem die Läufereinrichtung 48 beweglich ist.The stator device 50 is arranged stationarily outside the piston receptacle. It comprises a plurality of windings 54 which the piston receiving 16 surrounded in the area in which the rotor device 48 is mobile.

Durch die Bewegung der Läufereinrichtung 48 wird eine Spannung an der Statoreinrichtung 50 induziert, welche abgreifbar ist. Es erfolgt eine (Teil-)Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektrische Energie lässt sich auskoppeln und nutzen.By the movement of the rotor device 48 becomes a voltage on the stator 50 induced, which can be tapped. There is a (partial) conversion of mechanical energy into electrical energy. The electrical energy can be decoupled and used.

Es ist auch möglich, wie in der WO 03/091556 A1 beschrieben, über eine entsprechende elektrische Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu beeinflussen; der Kolbenhub lässt sich über den elektrischen Lineartrieb 14 variabel einstellen, so dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 definierbar sind.It is also possible, as in the WO 03/091556 A1 described, via a corresponding electrical loading of the stator 50 the movement of the piston device 20 to influence; the piston stroke can be controlled by the electric linear drive 14 set variably, so that the dead centers of movement of the piston device 20 are definable.

Es ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 vorgesehen, durch welche Aktoren der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar sind und Sensorsignale der Freikolbenvorrichtung 10 auswertbar sind. Ferner gibt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 eine Steuerungsstrategie und Regelungsstrategie vor, die hardwaremäßig und/oder softwaremäßig realisiert ist.It is a control / regulation device 56 provided by which actuators of the free-piston device 10 can be controlled and sensor signals of the free-piston device 10 are evaluable. Furthermore, there is the control / regulation device 56 a control strategy and control strategy, which is implemented in hardware and / or software.

An der ersten Stirnwand 34 ist (mindestens) ein Einlassventil 58 für Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch angeordnet und/oder es ist ein Einlassventil für Oxidator (insbesondere Luft) vorgesehen. Ferner ist an der ersten Stirnwand 34 (mindestens) ein Auslassventil 60 angeordnet, über welches sich verbrauchtes Medium und insbesondere Verbrennungsabgase aus dem Expansionsraum 34 abführen lassen.At the first end wall 34 is (at least) an inlet valve 58 for fuel and / or a fuel arranged material-oxidizer mixture and / or it is an inlet valve for oxidizer (in particular air) is provided. Furthermore, on the first end wall 34 (at least) an exhaust valve 60 arranged over which is consumed medium and in particular combustion exhaust gases from the expansion space 34 can be removed.

Es kann ferner eine Einspritzeinrichtung (61) zum Einspritzen von Brennstoff vorgesehen sein.It can also be an injection device ( 61 ) may be provided for injecting fuel.

Weiterhin kann eine Zündungseinrichtung 62 vorgesehen sein (in 1 aus darstellerischen Gründen in übertriebener Größe gezeigt), um ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in dem Expansionsraum 36, welcher dann ein Verbrennungsraum ist, zünden zu können.Furthermore, an ignition device 62 be provided (in 1 shown exaggeratedly for illustrative purposes) to form a fuel-oxidizer mixture in the expansion space 36 , which is then a combustion chamber, to be able to ignite.

Weiterhin ist dem Expansionsraum 36 eine Sensoreinrichtung 64 zugeordnet, über welche ein oder mehrere Parameter messbar sind. Beispielsweise sind der Druck im Expansionsraum 36 und/oder die Temperatur messbar.Furthermore, the expansion area 36 a sensor device 64 assigned, over which one or more parameters are measurable. For example, the pressure in the expansion space 36 and / or the temperature measurable.

Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 steuert das oder die Einlassventile 58, das Auslassventil 60, die Zündungseinrichtung 62 und gegebenenfalls eine Einspritzeinrichtung an. Es lässt sich dadurch zu einem oder mehreren definierten Zeitpunkten das oder die Einlassventile 58 öffnen und schließen und/oder die Auslassventile 60 lässt sich öffnen und schließen. Ferner lässt sich zu einem definierten Zeitpunkt Brennstoff einspritzen und ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch lässt sich zünden.The control / regulation device 56 controls the intake valve (s) 58 , the exhaust valve 60 , the ignition device 62 and optionally an injection device. It can thereby be at one or more defined times, the one or more intake valves 58 open and close and / or the exhaust valves 60 can be opened and closed. Furthermore, fuel can be injected at a defined time and a fuel-oxidizer mixture can be ignited.

Signale der Sensoreinrichtung 64 werden an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 übermittelt.Signals of the sensor device 64 are sent to the control / regulation device 56 transmitted.

Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ist ferner an den elektrischen Lineartrieb 14 gekoppelt, um beispielsweise gegebenenfalls über den elektrischen Lineartrieb 14 die Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 20 beeinflussen zu können.The control / regulation device 56 is also to the electric linear actuator 14 coupled, for example, optionally via the electric linear drive 14 the piston movement of the piston device 20 to be able to influence.

Es ist eine Sensoreinrichtung 66 vorgesehen, welche entsprechende Sensorsignale der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereitstellt, über welche die momentane Position der Kolbeneinrichtung 20 in Relation zu der Kolbenaufnahme 16 messbar ist.It is a sensor device 66 provided, which corresponding sensor signals of the control / regulating device 56 provides over which the instantaneous position of the piston device 20 in relation to the piston receiver 16 is measurable.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem Rückfederraum 42, wenn dieser ein Gasfederraum ist, ein Druckspeicher 68 zugeordnet. Der Druckspeicher 68 ist mit dem Rückfederraum 42 über ein Steuerventil 70 verbunden, welches durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ansteuerbar ist. Über den Druckspeicher 68 ist der Druck in dem Rückfederraum 42 beispielsweise in einem unteren Totpunkt (UTr) der Kolbeneinrichtung 20, bei welchem diese mit dem ersten Kolben 26 nächstliegend zu der ersten Stirnwand 34 ist, einstellbar. Es lassen sich dadurch die Eigenschaften der Gasfeder einstellen. Insbesondere lässt sich eine Federkonstante bzw. Federkennlinie einstellen.In one embodiment, the resilience space 42 if this is a gas spring chamber, a pressure accumulator 68 assigned. The accumulator 68 is with the resilience space 42 via a control valve 70 connected, which by the control / regulating device 56 is controllable. About the accumulator 68 is the pressure in the resilience space 42 for example, in a bottom dead center (UT r ) of the piston device 20 in which this with the first piston 26 next to the first end wall 34 is, adjustable. It can be adjusted by the properties of the gas spring. In particular, a spring constant or spring characteristic can be set.

Der Druckspeicher 68 ist mit dem entsprechenden Rückfedermedium befüllbar bzw. er ist entleerbar. Insbesondere lässt sich der Druck in dem Druckspeicher 68 außerhalb der Kolbenaufnahme 16 einstellen. Entsprechend ist beispielsweise ein steuerbares Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 vorgesehen. Ein Weg ist ein Befüllungsweg für den Druckspeicher 68 und ein zweiter Weg ist ein Entlüftungsweg. Das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 ist an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 gekoppelt. Eine Pumpe 73 ist an einen Eingang des Drei-Zwei-Wege-Ventils 72 angeschlossen.The accumulator 68 is filled with the appropriate springback medium or it is emptied. In particular, the pressure in the pressure accumulator can be 68 outside the piston receiver 16 to adjust. Accordingly, for example, a controllable three-two-way valve 72 intended. One way is a filling path for the accumulator 68 and a second way is a vent path. The three-way valve 72 is to the control / regulation device 56 coupled. A pump 73 is to an input of the three-way valve 72 connected.

Dem Rückfederraum 42 sind ein oder mehrere Sensoren 74 zugeordnet. Insbesondere ist ein Drucksensor vorgesehen. Es kann beispielsweise auch ein Temperatursensor vorgesehen sein. Diese stellen ihre gemessenen Werte der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereit.The resilience space 42 are one or more sensors 74 assigned. In particular, a pressure sensor is provided. For example, a temperature sensor may also be provided. These represent their measured values of the control / regulation device 56 ready.

In 1 ist durch einen Pfeil 76 schematisch angedeutet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 auch weitere Freikolbenmotoren überwachen, steuern und regeln kann. Beispielsweise kann ein weiterer Freikolbenmotor vorgesehen sein, um bei entsprechender Anordnung der Kolbeneinrichtung einen Massenausgleich zu erhalten.In 1 is by an arrow 76 schematically indicated that the control / regulating device 56 It is also possible to monitor, control and regulate other free-piston engines. For example, a further free-piston engine may be provided in order to obtain a mass balance with a corresponding arrangement of the piston device.

Durch eine zeitlich sich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36, beispielsweise durch eine sich zeitlich wiederholende Verbrennung von Brennstoff, wird die Kolbeneinrichtung 20 in einer Oszillations bewegung angetrieben. Die Kolbeneinrichtung bewegt sich dabei zwischen einem bezogen auf den Expansionsraum 36 unteren Totpunkt (UTex) und oberen Totpunkt (OTex). Der untere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den größten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. Der obere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den kleinsten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. In 3 sind unten schematisch diese Totpunkte UTex und OTex gezeigt. Die Auslenkung x bezieht sich auf den Abstand von der ersten Stirnwand 34 in der Linearrichtung 22. Ein Kolbenhub ist der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt. Dieser wird mit S bezeichnet.By a time-recurring expansion of medium in the expansion space 36 For example, by a time-repeating combustion of fuel, the piston device 20 driven in an oscillatory motion. The piston device moves between one with respect to the expansion space 36 bottom dead center (UT ex ) and top dead center (OT ex ). The bottom dead center is defined by the fact that the first piston 26 the largest distance to the first end wall 34 Has. The top dead center is defined by the fact that the first piston 26 the smallest distance to the first end wall 34 Has. In 3 are schematically shown below these dead points UT ex and OT ex . The deflection x refers to the distance from the first end wall 34 in the linear direction 22 , A piston stroke is the distance between top dead center and bottom dead center. This is denoted by S.

Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 führt Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge hierarchisch durch. Sie ist dazu in eine erste Ebene 78, eine zweite Ebene 80 und in eine dritte Ebene 82 gegliedert. Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet und die zweite Ebene 80 ist der ersten Ebene 78 übergeordnet.The control / regulation device 56 performs control operations and control operations hierarchically. She is in a first level 78 , a second level 80 and in a third level 82 divided. The third level 82 is the second level 80 parent and the second level 80 is the first level 78 superior.

Auf der ersten Ebene 78 finden Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge statt, welche auf einer Zeitskala liegen, welche unterhalb der Dauer eines Kolbenhubs liegen. In der ersten Ebene 78 finden beispielsweise in einer Expansionsraumregelungseinrichtung 84 Regelungsvorgänge statt, welche die Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36 und insbesondere Verbrennungsvorgänge betreffen. Diese Regelungsvorgänge umfassen insbesondere die Steuerung bzw. Regelung des oder der Einlassventile 58, des oder der Auslassventile 60 und der Zündungseinrichtung 62 sowie gegebenenfalls die Steuerung bzw. Regelung einer Einspritzeinrichtung.On the first level 78 take place control operations and control operations, which are on a time scale, which are below the duration of a piston stroke. In the first level 78 find, for example, in an expansion space control device 84 Regulatory processes take place, which is the expansion of medium in the expansion space 36 and in particular combustion processes. These control operations include, in particular, the control of the intake valve (s) 58 , exhaust valve or exhaust valves 60 and the ignition device 62 and optionally the control or regulation of an injection device.

Die Expansionsraumregelungseinrichtung 84 empfängt Sensorsignale der Sensoreinrichtung 64 und legt diese Steuerungsprozessen und Regelungsprozessen zugrunde.The expansion space control device 84 receives sensor signals of the sensor device 64 and uses these control processes and regulatory processes as a basis.

Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Lineartriebregelungseinrichtung 86, welche den Lineartrieb 14 steuert bzw. regelt. Durch entsprechende Strom beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 ist dies möglich. Die Lineartriebregelungseinrichtung 86 empfängt Signale der Sensoreinrichtung 66.Furthermore, the first level includes 78 a linear drive control device 86 , which the linear drive 14 controls or regulates. By appropriate power supply of the stator 50 is this possible. The linear drive control device 86 receives signals from the sensor device 66 ,

Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Rückfederraumregelungseinrichtung 88. Über diese lässt sich das Steuerventil 70 steuern bzw. regeln. Die Rückfederraumregelungseinrichtung 88 umfasst Signale des Sensors 74.Furthermore, the first level includes 78 a springback control device 88 , About this can be the control valve 70 control or regulate. The springback control device 88 includes signals from the sensor 74 ,

In der ersten Ebene 78 wird der Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt gesteuert bzw. geregelt. Es werden Aktoren angesteuert (in 2 dadurch angedeutet, dass eine Pfeilspitze auf diese zeigt) und es werden Sensorsignale empfangen (in 2 dadurch angedeutet, dass die Pfeilspitze von diesen weg zeigt).In the first level 78 becomes the free-piston engine 12 with electric linear drive 14 directly controlled or regulated. Actuators are activated (in 2 indicated by an arrowhead points to this) and sensor signals are received (in 2 indicated by the arrowhead pointing away from them).

In der zweiten Ebene 80 erfolgt eine Regelungsberechnung auf einer Zeitskala, welche der Zeitdauer eines oder mehrerer Kolbenhübe entspricht. Es erfolgt eine Art von ”integraler” Regelungsberechnung und auch dann entsprechende Ansteuerung. Es erfolgt dabei ein Datenaustausch zwischen der ersten Ebene 78 und der zweiten Ebene 80.In the second level 80 a control calculation takes place on a time scale which corresponds to the duration of one or more piston strokes. There is a kind of "integral" control calculation and then appropriate control. There is a data exchange between the first level 78 and the second level 80 ,

Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet. In der dritten Ebene 82 werden beispielsweise Überwachungsprozesse durchgeführt und es können beispielsweise, wenn mehrere Kolbeneinrichtungen vorhanden sind, Synchronisierungsvorgänge durchgeführt werden.The third level 82 is the second level 80 superior. In the third level 82 For example, monitoring processes are performed and, for example, when multiple piston devices are present, synchronization operations can be performed.

Die Ebenen 78, 80 und 82 arbeiten auf unterschiedlichen Zeitskalen. Es lassen sich dadurch Regelungsvorgänge hierarchisch gliedern. In der ersten Ebene 78 wird die physikalische Strecke des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt beeinflusst bzw. es findet eine direkte Auswertung von Sensorsignalen statt. In der zweiten Ebene 80 wird, wie unten noch näher beschrieben wird, eine Ereignisregelung und insbesondere Regelung der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 von einem (vollständigen) Kolbenspiel zu dem nächsten durchgeführt. In der ersten Ebene 78 erfolgt dabei eine un mittelbare Ereignisregelung an dem Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14.The levels 78 . 80 and 82 work on different time scales. As a result, control processes can be structured hierarchically. In the first level 78 becomes the physical distance of the free-piston engine 12 with electric linear drive 14 directly influenced or there is a direct evaluation of sensor signals. In the second level 80 is, as will be described in more detail below, an event control and in particular control of the movement of the piston device 20 from one (complete) piston play to the next one. In the first level 78 There is an un indirect event control on the free-piston engine 12 with electric linear drive 14 ,

In der dritten Ebene 82 erfolgt beispielsweise auch eine Lastwechselanpassung.In the third level 82 For example, a load change adaptation takes place.

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 20 so geregelt, dass der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd eingesetzt wird, das heißt keine Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 durch den elektrischen Lineartrieb 14 erfolgt. (Es ist grundsätzlich möglich, dass über den elektrischen Lineartrieb 14 eine definierte Bewegungsform der Kolbeneinrichtung 20 in ihrer Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben wird. Beispielsweise wird ein sinusförmiger Verlauf des Wegs x und der Geschwindigkeit v (als Ableitung des Wegs über der Zeit) vorgegeben.)According to the invention, the movement of the piston device 20 so regulated that the electric linear actuator 14 is not used regulating, that is no path-time control for the movement of the piston device 20 by the electric linear drive 14 he follows. (It is basically possible that via the electric linear drive 14 a defined movement form of the piston device 20 is given in their path-time dependence. For example, a sinusoidal course of the path x and the velocity v (as Derivation of the path over time).)

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird dagegen eine ”freie” Schwingung der Kolbeneinrichtung 20 erlaubt, welche allein durch die Expansion des Mediums in dem Expansionsraum 36 und die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 vorgegeben ist sowie von dissipativen Verlusten bei der Bewegung. Die nutzbare Arbeit durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 entspricht dann im Wesentlichen der aus der elektrischen Lineareinrichtung 14 ausgekoppelten elektrischen Energie.In the solution according to the invention, however, a "free" vibration of the piston device 20 allowed, which only by the expansion of the medium in the expansion space 36 and the restoring force in the springback space 42 and dissipative losses during movement. The usable work by the movement of the piston device 20 then essentially corresponds to that from the electrical linear device 14 decoupled electrical energy.

In 3 ist schematisch ein Bewegungsverlauf angedeutet in der Form eines Geschwindigkeits-Zeit-Diagramms für eine vollständige Bewegung des ersten Kolbens 26 von dem oberen Totpunkt über den unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt zurück, wenn der obere Totpunkt als Startpunkt gewählt wird. Typischerweise ist dieser Bewegungsverlauf nicht exakt sinusförmig. In einer Expansionsphase ausgehend von dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt beschleunigt die Expansion die Kolbeneinrichtung 20 stärker als die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 die Kolbeneinrichtung 20, wenn sie sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt (bezogen auf den ersten Kolben 26) bewegt. Dadurch ist die Zeitdauer einer ersten Phase der Kolbenbewegung (Expansionsphase) kleiner als die Zeitdauer einer zweiten Phase der Kolbenbewegung (Kompressionsphase bzw. Rückfederphase).In 3 is schematically a course of movement indicated in the form of a velocity-time diagram for a complete movement of the first piston 26 from top dead center to bottom dead center to top dead center when top dead center is selected as the starting point. Typically, this course of motion is not exactly sinusoidal. In an expansion phase from top dead center to bottom dead center, the expansion accelerates the piston assembly 20 stronger than the restoring force in the springback space 42 the piston device 20 when moving from bottom dead center to top dead center (relative to the first piston 26 ) emotional. As a result, the time duration of a first phase of the piston movement (expansion phase) is shorter than the time duration of a second phase of the piston movement (compression phase or springback phase).

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 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie entspricht. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass ein Eingriff beispielsweise zur Vorgabe von Startbedingungen über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 möglich ist, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 aktiv eingesetzt wird und die Kolbeneinrichtung 20 in eine bestimmte Position (über Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50) gebracht wird.According to the invention, it is provided that an adjustment process to a stationary operation and the stationary operation itself is performed so that the useful work of the piston device 20 by the electric linear drive 14 decoupled energy corresponds. It is basically possible that an intervention, for example, to specify starting conditions on the control / regulating device 56 is possible, in which the electric linear drive 14 is actively used and the piston device 20 in a certain position (by acting on the stator 50 ) is brought.

Die nutzbare Arbeit WN pro Kolbenspiel ist

Figure 00210001
The usable work W N per piston play is
Figure 00210001

Sie setzt sich zusammen aus einem Beitrag des Expansionsraums 36 (Druck pE) und einem Beitrag des Rückfederraums 42 (Druck pR) und einem Dissipationsbeitrag Wdiss.It is composed of a contribution from the expansion area 36 (Pressure p E ) and a contribution of the resilience space 42 (Pressure p R ) and a Dissipationsbeitrag W diss .

Die über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelte Energie WL ist

Figure 00220001
The over the electric linear drive 14 decoupled energy W L is
Figure 00220001

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 14 als rein elektrischer Generator betrieben wird, d. h. der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd (rein passiv) betrieben wird und die Kolbeneinrichtung 20 ihrer durch die Expansion des Mediums im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft bewirkte Bewegung überlassen wird, dann ist die nutzbare Arbeit WN gleich der über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie WL.When the electric linear actuator 14 is operated as a purely electric generator, ie the electric linear drive 14 not regulating (purely passive) is operated and the piston device 20 their through the expansion of the medium in the expansion space 36 and is caused by the return spring force caused movement, then the usable work W N is equal to that via the electric linear drive 14 decoupled energy W L.

Wenn der Anteil Wdiss bekannt ist bzw. abgeschätzt werden kann, lässt sich die nutzbare Arbeit pro Kolbenhub berechnen. Durch Vorgabe der Bedingungen im Expansionsraum 36 im Rückfederraum 42 lässt sich die nutzbare Arbeit in gewissem Umfang einstellen.If the proportion W diss is known or can be estimated, the usable work per piston stroke can be calculated. By specifying the conditions in the expansion area 36 in the springback room 42 can the usable work be adjusted to a certain extent.

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 20.A control strategy may be such that the piston stroke S is in a certain range of values and / or the force F L is in a certain range of values and / or the compression is in a certain range of values and / or the compression ratio is in a certain range of values. In one embodiment, the control strategy is such that the piston stroke is fixed, ie the controlled variable is a fixed piston stroke S; there is a specification of the piston stroke S at a free movement of the Kol beneinrichtung 20 ,

In der 4(a) bis 4(e) sind mögliche vorgebbare Kraftverläufe gezeigt, welche auf eine dimensionslose Koordinate χ(t) bezogen sind, welche definiert ist als

Figure 00230001
In the 4 (a) to 4 (e) Possible predefinable force profiles are shown, which are related to a dimensionless coordinate χ (t), which is defined as
Figure 00230001

Dabei x(tUT) die Position des ersten Kolbens 26 im oberen Totpunkt OTex und x(t) ist die aktuelle Kolbenposition. Die dimensionslose Kraft γ(t) ist definiert als γ(t) = FL(t)/FL,max (4) Where x (t UT ) is the position of the first piston 26 at top dead center OT ex and x (t) is the current piston position. The dimensionless force γ (t) is defined as γ (t) = F L (T) / F L, max (4)

Die Kraft FL,max ist definiert als

Figure 00230002
The force F L, max is defined as
Figure 00230002

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 20 zu ermöglichen. Die Bedingung dabei ist WN = WL. Die momentane Sollkraft, die der elektrische Lineartrieb 14 aus dem System auskoppeln soll, wird dann entsprechend einer Strategie gewählt, um beispielsweise einen konstanten Sollhub S zu erhalten.By specifying the force profile of the force, a control can be carried out with the control strategy, a free movement of the piston device 20 to enable. The condition is W N = W L. The instantaneous desired force, which is the electric linear drive 14 is to decouple from the system is then selected according to a strategy, for example, to obtain a constant target stroke S.

Je nach Anwendung kann ein entsprechendes Kraftprofil gewählt werden. Beispiele für Kraftverläufe sind in den 4(a) bis 4(e) gezeigt. Diese Beispiele sind symmetrisch bezüglich Expansion und Kompression.Depending on the application, a corresponding force profile can be selected. Examples of force courses are in the 4 (a) to 4 (e) shown. These examples are symmetrical in terms of expansion and compression.

In 5(a) ist der Kraftverlauf gemäß 4(a) nochmals gezeigt. Er kann verschoben werden (5(b) und 5(c)). Dies entspricht einer unterschied lichen Energieverteilung auf die Expansionsphase (fE > 0,5) bzw. auf die Kompressionsphase (fE < 0,5). Wie oben erwähnt kann der Verlauf der Auskopplungskraft so gewählt werden, dass die gewählte Regelungsstrategie durchgeführt werden kann.In 5 (a) is the force curve according to 4 (a) shown again. He can be moved ( 5 (b) and 5 (c) ). This corresponds to a different energy distribution to the expansion phase (f E > 0.5) or to the compression phase (f E <0.5). As mentioned above, the course of the decoupling force can be chosen so that the selected control strategy can be performed.

Die Eingriffsmöglichkeiten bei der Regelung liegen in der entsprechenden Ansteuerung der Aktoren des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ebene 78 der hierarchischen Steuerung und Regelung beschrieben.The intervention options in the control are in the corresponding control of the actuators of the free-piston engine 12 with electric linear drive 14 as above related to the first level 78 the hierarchical control and regulation described.

Wie in 6 schematisch angedeutet, kann beispielsweise ein Zeitpunkt eines Schließens 90 des Auslassventils 60 und/oder eines Schließens 92 des Einlassventils 58 entsprechend eingestellt werden. Ferner kann beispielsweise ein Einspritzbeginn 94 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Zündzeitpunkt 96 der Zündungseinrichtung 62 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Verbrennungsende 98 beeinflusst werden. Auch das Öffnen 100 des Auslassventils 60 und ein Öffnen 102 des Einlassventils 58 kann eingestellt werden.As in 6 indicated schematically, for example, a time of closing 90 the exhaust valve 60 and / or closing 92 of the inlet valve 58 be adjusted accordingly. Furthermore, for example, an injection start 94 be set. Furthermore, an ignition point 96 the ignition device 62 be set. Furthermore, a combustion end 98 to be influenced. Also opening 100 the exhaust valve 60 and an opening 102 of the inlet valve 58 can be set.

Weiterhin lassen sich die Verhältnisse im Rückfederraum 42 beispielsweise durch Druckeinstellung beeinflussen. Über den Druckspeicher 68 und das Steuerventil 70 lassen sich Parameter der Rückfedereinrichtung 44 beeinflussen und einstellen und gegebenenfalls auch in zeitlicher Abhängigkeit einstellen. Beispielsweise kann die Rückfedereinrichtung 44 versteift werden oder weicher gemacht werden, wenn notwendig.Furthermore, the conditions in the resilience space can be 42 for example, influence by pressure setting. About the accumulator 68 and the control valve 70 can be parameters of the return spring device 44 influence and adjust and if necessary adjust also in time dependence. For example, the return spring means 44 be stiffened or softened if necessary.

Beispielsweise kann über Einstellung des Drucks im unteren Totpunkt UTr des Rückfederraums 42 die Verdichtung eingestellt werden beziehungsweise variiert werden. Eine variable Kennlinie der Rückfedereinrichtung 44 beeinflusst die eingespeicherte Energiemenge und legt damit die für eine Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie fest. Diese für die Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie setzt sich aus der in der Rückfedereinrichtung 44 gespeicherten Energie für die anstehende Rückstellung der Kolbeneinrichtung 20, der in der Kompressionsphase noch auszu koppelnden nutzbaren Arbeit, der Verdichtungsenergie für den Expansionsraum 36 und dissipativen Verlusten zusammen. Es lässt dich dadurch der obere Totpunkt OTex im Expansionsraum 36 einstellen. Wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung 44 eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und damit verringert sich die Verdichtung.For example, by adjusting the pressure at bottom dead center UT r of the resilience space 42 the compression can be adjusted or varied. A variable characteristic of the return spring means 44 influences the amount of stored energy and thus determines the energy available for a compression phase. This energy available for the compression phase is composed of that in the return spring device 44 stored energy for the upcoming recovery of the piston device 20 , the usable work to be coupled out in the compression phase, the compression energy for the expansion space 36 and dissipative losses together. It leaves you the top dead center OT ex in the expansion space 36 to adjust. If less energy in the recoil device 44 is stored, then only a small compression energy is available and thus reduces the compression.

Es erfolgt dabei eine entsprechende Regelungsstrategie in der zweiten Ebene 80. Es wird dabei aus der nutzbaren Arbeit für einen vollständigen Kolbenhub auf den nächsten Kolbenhub geschlossen. Diese Annahme ist korrekt, wenn ein stationärer Betrieb vorliegt bzw. quasistationärer Betrieb vorliegt, in welchem Änderungen und insbesondere Laständerungen erheblich langsamer sind als die Zeitdauer eines Kolbenhubs.There is a corresponding control strategy in the second level 80 , It is closed from the useful work for a complete piston stroke on the next piston stroke. This assumption is correct when stationary operation or quasi-stationary operation is present, in which changes and in particular load changes are considerably slower than the duration of a piston stroke.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt, eventuell ausgehend von einer Startphase, bei welcher der elektrische Lineartrieb 14 regelnd eingesetzt werden kann, beispielsweise eine Einregelung auf einen stationären Betrieb, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd als elektrischer Generator eingesetzt wird. Sowohl während des Einregelungsprozesses als auch im stationären (bzw. quasistationären) Betrieb entspricht die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten elektrischen Energie. Die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung 20 durch das expandierende Medium im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft einschließlich dissipativer Verluste bestimmt den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20. Der elektrische Lineartrieb stellt eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein und beeinflusst damit die Flugbahn der Kolbeneinrichtung 20.In the solution according to the invention, possibly starting from a starting phase, in which the electric linear drive 14 can be used regulating, for example, a control to a steady state operation in which the electric linear drive 14 not regulated as an electric generator is used. Both during the Einregelungsprozesses as well as in stationary (or quasi-stationary) operation corresponds to the useful work of the piston device 20 by the electric linear drive 14 decoupled electrical energy. The application of force to the piston device 20 through the expanding medium in the expansion space 36 and by the return spring force including dissipative losses determines the course of movement of the piston device 20 , The electric linear drive sets a reaction force according to the force profile and thus influences the trajectory of the piston device 20 ,

Die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Kraftbeaufschlagung des ersten Kolbens 26 bestimmen (wie beispielsweise die in 6 gezeigten Parameter), werden entsprechend eingestellt.The restoring force and / or one or more parameters which the application of force to the first piston 26 determine (such as the in 6 displayed parameters) are set accordingly.

Die Regelung ist eine ”thermodynamische” Regelung. Es werden entsprechende thermodynamischen Größen im Expansionsraum 36 und/oder Rückfederraum 42 eingestellt, um den ”freien” Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20 zu erhalten.The regulation is a "thermodynamic" regulation. There are corresponding thermodynamic variables in the expansion space 36 and / or resilience space 42 adjusted to the "free" movement of the piston device 20 to obtain.

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 7(a) und (b) sind schematisch unterschiedliche Kraftprofile 104 und 106 und dimensionslosen Koordinaten gezeigt. Das Kraftprofil 104 gehört eine Expansionsphase 108a und eine Kompressionsphase 108b. Der Flächeninhalt für die Expansionsphase 108a und für die Kompressionsphase 108b ist gleich.In the 7 (a) and (b) are schematically different force profiles 104 and 106 and dimensionless coordinates. The force profile 104 belongs to an expansion phase 108a and a compression phase 108b , The area for the expansion phase 108a and for the compression phase 108b is equal to.

Zu dem Kraftprofil 106 gehört eine Expansionsphase 110a und eine Kornpressionsphase 110b. Der Flächeninhalt der Expansionsphase 110a ist größer als der Flächeninhalt der Kompressionsphase 110b. Das Kraftprofil 106 ist so gewählt, dass die Kolbenbewegung in der Expansionsphase 110a verlangsamt wird, um, wenn die Kolbeneinrichtung 20 durch Verbrennungsprozesse im Expansionsverfahren 36 angetrieben wird. In 7(c) ist schematisch das zu den Kraftprofilen 104 und 106 zugehörige Abkühlverhalten von Gasen (Zylindergasen) im Expansionsraum 36 gezeigt. Bei dem Kraftprofil 106 ist das Abkühlen verlangsamt, da die Kolbenbewegung bei der Expansion durch das Kraftprofil 106 verlangsamt wird.To the force profile 106 belongs to an expansion phase 110a and a compression phase 110b , The area of the expansion phase 110a is greater than the area of the compression phase 110b , The force profile 106 is chosen so that the piston movement in the expansion phase 110a slows down to when the piston device 20 by combustion processes in the expansion process 36 is driven. In 7 (c) is schematic that to the force profiles 104 and 106 associated cooling behavior of gases (cylinder gases) in the expansion space 36 shown. At the force profile 106 Cooling is slowed down as the piston movement during expansion by the force profile 106 is slowed down.

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 8(a) und 8(b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß 8(a) dem Kraftprofil 104 gemäß 7(a) entspricht.In the 8 (a) and 8 (b) Further force profiles are shown, wherein the force profile according to 8 (a) the force profile 104 according to 7 (a) equivalent.

Das Kraftprofil 112 gemäß 8(b) ist so gewählt, dass die Kolbengeschwindigkeit im Bereich an und vor dem unteren Totpunkt stark verlangsamt wird. Entsprechend hat das Kraftprofil 112 einen Abfall 114.The force profile 112 according to 8 (b) is chosen so that the piston speed is greatly slowed in the area at and before the bottom dead center. Accordingly, the force profile 112 a waste 114 ,

Das Kraftprofil 112 dient dazu, einen Verbrennungsprozess in dem Expansionsraum 36 einen Gleichraumprozess anzunähern, welcher einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist. In 8(c) sind zugehörige p-V-Diagramme gezeigt (Abhängigkeit eines Drucks im Expansionsraum 36 [Zylinderdruck] in Abhängigkeit des Volumens). Man erkennt den Einfluss des Kraftprofils 112.The force profile 112 serves a combustion process in the expansion space 36 to approach a Gleichraumprozess having a high thermodynamic efficiency. In 8 (c) associated pV diagrams are shown (dependence of a pressure in the expansion space 36 [Cylinder pressure] depending on the volume). One recognizes the influence of the force profile 112 ,

In 9(a) und (b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß 9(a) dem Kraftprofil 104 entspricht. Das Kraftprofil 116 gemäß 9(b) ist so gewählt, dass die Geräuschemission während eines Verbrennungsprozesses minimiert ist. Die Geräuschemission wird wesentlich durch den Druckanstieg im Expansionsraum 36 bestimmt. Das Kraftprofil 116 ist so gewählt, dass die Kolbeneinrichtung 20 nach Passieren des oberen Totpunkts stärker beschleunigt wird. Es sollen starke Druckgradienten vermieden werden. Entsprechende p-V-Diagramme sind in 9(c) gezeigt. Man erkennt, dass der Zylinderdruck bei dem Kraftprofil 116 zu geringeren Druckgradienten und damit zu geringerer Geräuschemission führt.In 9 (a) and (b) further force profiles are shown, the force profile according to 9 (a) the force profile 104 equivalent. The force profile 116 according to 9 (b) is chosen so that the noise emission during a combustion process is minimized. The noise emission is significantly increased by the pressure increase in the expansion space 36 certainly. The force profile 116 is chosen so that the piston device 20 is more accelerated after passing the top dead center. It should be avoided strong pressure gradients. Corresponding pV diagrams are in 9 (c) shown. It can be seen that the cylinder pressure at the force profile 116 leads to lower pressure gradients and thus to lower noise emission.

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 56 weist beispielsweise eine Datenbank auf, in der vorgegebene Kraftprofile gespeichert sind und aus der je nach Anwendungsfall das geeignete Kraftprofil ausgelesen wird.The control / regulation device 56 has, for example, a database in which predetermined force profiles are stored and from which, depending on the application, the appropriate force profile is read out.

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.

Claims (23)

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.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, in which a force profile of a force-displacement curve for the piston device is given, whose integral over a period of a movement the piston device corresponds to the usable work, which of electric linear drive is convertible into electrical energy. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe des Kraftprofils der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung.Method according to claim 1, characterized in that that in the specification of the force profile of the movement of the piston device solely by the application of force by the expanding medium and the restoring force is controlled without path-time control for the movement of the piston device. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt werden.Method according to claim 1 or 2, characterized that for adjusting the piston movement, the restoring force and / or a or several parameters indicating the expansion of the medium in the expansion space be adjusted. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum ein Verbrennungsraum ist und die Kolbeneinrichtung durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the expansion space is a combustion chamber and the piston means by combustion gases, which the expanding Form medium, is driven. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, Einlassschließens, Auslassöffnens, Auslassschließens, Einspritzung, Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that parameters for the Expansion space, which influence the piston movement and which can be set to include at least one of the following parameters: one or more times of at least one inlet opening, Inlet closing, Auslassöffnens, Auslassschließens, Injection, ignition for one Combustion, injection quantity, gas mass in the expansion space. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Rückfedereinrichtung, durch welche die Rückstellkraft einstellbar ist, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: Druck, Temperatur, Maximalvolumen, Minimalvolumen in einem Rückfederraum, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Vorspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.Method according to one of the preceding claims, characterized in that parameters of Spring return device, by which the restoring force is adjustable, at least one of the following parameters include: pressure, temperature, maximum volume, minimum volume in a resilience space, spring characteristic for the restoring force, bias of a spring device, gas mass in the resilience space. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein energetischer Zustand aus gemessenen Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbeneinrichtung berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that an energetic state of measured sizes in the expansion space and / or a resilience space the recoil device and position data of the piston device is calculated. Verfahren nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung von Dissipationsenergie verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that to determine the usable work on or several models used to determine dissipation energy become. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen geschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized that characterized from the usable work, which for a period was calculated on the usable work of one or more temporally following piston strokes is closed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem bestimmten Hubbereich und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich und/oder eine Verdichtung in einem bestimmten Verdichtungsbereich und/oder das Verdichtungsverhältnis in einem bestimmten Verdichtungsverhältnisbereich eingestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a stroke of movement of the piston device in a certain stroke range and / or an output force of the electric linear drive in a certain force range and / or a compression in a certain compression area and / or the compression ratio is set in a specific compression ratio range. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt wird.Method according to claim 10, characterized in that that at a constant lift and / or a constant compression and / or constant compression ratio is regulated. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben wird und/oder variiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a force-distance dependence of the force defines is specified and / or varied. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über die Periode geschätzt wird und gegebenenfalls das Kraftprofil modifiziert wird.Method according to claim 12, characterized in that that while a period of piston movement the integral over the period is estimated and optionally the force profile is modified. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftprofil so modifiziert wird, dass eine Verdichtung in einem Sollwertbereich liegt.Method according to claim 13, characterized in that that the force profile is modified so that a compression is within a setpoint range. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung mittels des Rückfederraumes eingestellt und/oder variiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a compression means of the resilience space adjusted and / or varied. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that it is possible to switch from one or to a mode of operation, in which the electric linear drive the course of movement of the piston device active, and in particular in its path-time dependence sets. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit aktiv einstellt.Method according to claim 16, characterized in that that in a starting phase and / or fault phase and / or transition phase the electric linear drive the movement pattern of the piston device in his way-time dependence active setting. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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, und in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the control at least two hierarchically structured Has levels, wherein in a first level on a time scale smaller arranged as the duration of a piston stroke on the free-piston engine Sensors emit signals and actuators activate the free-piston engine, and in a second level 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 full strokes of the piston device is performed, wherein between the first level and the second level a data exchange he follows. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub erfolgt.Method according to claim 18, characterized that in the second level a regulation calculation for a following piston stroke based on the determination of usable work for one current and / or previous piston stroke takes place. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine dritte Ebene, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird.A method according to claim 18 or 19, characterized by a third level which is hierarchically superior to the second level is in which a surveillance performed the piston movement becomes. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgt.A method according to claim 20, characterized in that in the third level a Synchronisie tion of the movement of several piston devices takes place. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt wird.Method according to claim 20 or 21, characterized that in the third level monitoring and / or control of load changes. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.Method according to one of claims 20 to 22, characterized that between the third level and the second level a data exchange he follows.
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