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Die
Erfindung betrifft eine Freikolben-Verbrennungsmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, eine Hybridantriebseinrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 13 und ein Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Freikolben-Verbrennungsmaschinen
werden für verschiedenste technische Anwendungen eingesetzt.
Beispielsweise werden sie in Kraftfahrzeugen mit einer Hybridantriebseinrichtung
zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt. Ferner können sie
beispielsweise in stationären Anwendungen bei Blockheizkraftwerken
Anwendung finden.
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Bei
dem in Verbrennungskraftmaschinen ablaufenden thermodynamischen
technischen Kreisprozess ist bei einer Spitzendruckbegrenzung der Gleichdruckprozess
der Prozess mit dem höchsten thermischen Wirkungsgrad der
Verbrennungskraftmaschine. Unter einem Gleichdruckprozess versteht man,
dass während der Verbrennung in dem Brennraum der Druck
im Wesentlichen konstant ist. Bei einer konventionellen Verbrennungskraftmaschine
mit einem Kolben, der eine oszillierende Bewegung ausführt
und mittels einer Pleuelstange und einem Kurbeltrieb geführt
wird, müsste für diesen Fall die Verbrennung zeitlich
so gesteuert werden, dass während der Verbrennungsdauer
ein konstanter Druck in dem Brennraum herrscht, unabhängig
von der Bewegung des Kolbens, da diese nicht beeinflusst werden kann.
Die Steuerung des Druckes in dem Brennraum während der
Verbrennung kann in engen Grenzen bei einem Dieselmotor mittels
der Einspritzung erfolgen, weil mittels einer Steuerung der Einspritzmenge an
Dieselkraftstoff in Abhängig von der Zeit auch die Verbrennung
gesteuert werden kann. Bei einem Motor mit Fremdzündung
oder bei einem Verbrennungskonzept mit vorgemischter Ladung und
Kompressionszündung (CAI, HCCI) ist der Verbrennungsablauf durch
die Flammengeschwindigkeit bzw. die Reaktionskinetik der Verbrennung
bestimmt und kann kaum oder nur sehr aufwendig gesteuert bzw. geregelt
werden.
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Aus
der
DE 102 19 549
A1 ist eine gattungsbildende Freikolben-Verbrennungsmaschine
bekannt. Der Kolbenhub lässt sich dabei über den
Lineartrieb derart variabel einstellen, dass die Totpunkte der Bewegung
der Kolbeneinrichtung definierbar sind. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis
an Anforderungen, z. B. den Kraftstoff, angepasst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Freikolbenverbrennungsmaschine
mit elektrischem Lineartrieb umfasst wenigstens eine Kolbeneinrichtung
mit einem Kolben und einer Läufervorrichtung, wenigstens
einer Kolbenaufnahme, in welcher der wenigstens eine Kolben beweglich
angeordnet ist und wenigstens eine an der Kolbenaufnahme angeordnete
Statorvorrichtung, wobei auf den Kolben bei einer Bewegung zwischen
einem ersten Totpunkt und einem zweiten Totpunkt mittels von in
einem Brennraum expandierenden Brenngases eine Kraft aufbringbar
ist und in dem Brennraum während der Verbrennung ein maximaler Druck,
vorzugsweise während der Bewegung des Kolbens zwischen
dem ersten und zweiten Totpunkt, auftritt, wobei von der Statorvorrichtung
ein Magnetfeld erzeugbar ist mittels dem auf die Kolbeneinrichtung
eine Kraft aufbringbar ist, so dass die Bewegung des Kolbens dahingehend
steuerbar und/oder regelbar ist, dass der Druck in dem Brennraum
während der Verbrennung um weniger als 30%, insbesondere weniger
als 10%, schwankt und/oder von der Statorvorrichtung ein Magnetfeld
erzeugbar ist mittels dem auf die Kolbeneinrichtung eine Kraft aufbringbar
ist, so dass die Bewegung des Kolbens dahingehend steuerbar und/oder
regelbar ist, dass der Druck in dem Brennraum während der
Verbrennung um weniger als 30%, insbesondere weniger als 10%, des
maximalen Druckes während der Verbrennung absinkt und/oder
ansteigt.
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Es
liegt somit im Wesentlichen ein Gleichdruckprozess mit einem hohen
thermischen Wirkungsgrad vor. Dadurch kann in besonders vorteilhafter
Weise der Wirkungsgrad der Freikolben-Verbrennungsmaschine erhöht
werden. Der Druck in dem Brennraum schwankt während der
Verbrennung um weniger als 30%, wobei dies bei dem wesentlichen
Teil der Verbrennung auftritt, d. h. dass während der Verbrennung
von wenigstens 50% des Kraftstoffes der Druck in dem Brennraum um
weniger als 30% schwankt.
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Insbesondere
ist die Bewegung des Kolbens dahingehend steuerbar und/oder regelbar,
dass der Druck in dem Brennraum während der Verbrennung im
Wesentlichen konstant bleibt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Bewegung des Kolbens dahingehend
steuerbar und/oder regelbar, dass der Druck in dem Brennraum während der
Verbrennung um weniger als 40 bar, insbesondere weniger als 10 bar,
schwankt und/oder dahingehend steuerbar und/oder regelbar, dass
der Druck in dem Brennraum während der Verbrennung um weniger
als 40 bar, insbesondere weniger als 10 bar, des maximalen Druckes
absinkt und/oder ansteigt.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform hängt
der maximale Druck von der mechanischen, konstruktiven Auslegung
der Freikolben-Verbrennungsmaschine oder von einer Begrenzung der
Abgasemissionen, z. B. Stickoxide, ab. Der maximale Druck oder der
Spitzendruck in dem Brennraum tritt im Allgemeinen nach der Zündung
des Kraftstoffes in dem Brennraum auf. Der maximale Druck kann dabei nicht
beliebig hoch gewählt werden. Aufgrund der mechanischen
bzw. konstruktiven Ausbildung der Freikolben-Verbrennungsmaschine,
beispielsweise des Kolbens oder der Kolbenaufnahme, ist der maximale
Druck einer Obergrenze ausgesetzt. Der maximale Druck kann auch
von Abgasemissionen abhängen. Beispielsweise kann durch
eine Begrenzung des maximalen Druckes indirekt die mittlere Gastemperatur
in dem Brennraum und damit die Menge des Ausstoßes an Abgasemissionen,
z. B. an Stickoxiden, beeinflusst werden.
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Vorzugsweise
ist die Bewegung des Kolbens dahingehend steuerbar und/oder regelbar,
dass der Druck in dem Brennraum während der Verbrennung in
Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter, z. B. Temperatur,
Kraftstoffart, Frequenz der Kolbeneinrichtung, Lastgrad der Freikolben-Verbrennungsmaschine
gesteuert und/oder geregelt wird.
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In
einer Variante ist die Bewegung des Kolbens während einer
Bewegung des Kolbens von einem ersten Totpunkt zu einem zweiten
Totpunkt, wobei während dieser Bewegung die Verbrennung
stattgefunden hat, dahingehend steuerbar und/oder regelbar, dass
der Druck in dem Brennraum nach der Verbrennung in Abhängigkeit
von wenigstens einem Parameter, z. B. Temperatur, Kraftstoffart,
Frequenz der Kolbeneinrichtung, Lastgrad der Freikolben-Verbrennungsmaschine
gesteuert und/oder geregelt wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Freikolben-Verbrennungsmaschine
eine Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung. Die Steuerungs- und/oder
Regeleinrichtung steuert insbesondere die Bewegung der Kolbeneinrichtung
in der Kolbenaufnahme. Die Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung kann
entweder nur der Freikolben-Verbrennungsmaschine zugeordnet sein
oder auch bei einer Kombination der Freikolben-Verbrennungsmaschine
beispielsweise mit einer Hybridantriebseinrichtung eine Steuerungs-
und/oder Regeleinrichtung der Hybridantriebseinrichtung sein. Außerdem
kann bei einer Kombination der Freikolben-Verbrennungsmaschine mit
einem Kraftfahrzeug die Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung eine
Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung des Kraftfahrzeuges sein.
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In
einer ergänzenden Variante umfasst die Läufervorrichtung
Magnetelemente, z. B. ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist von der Läufervorrichtung
ein Magnetfeld erzeugbar mittels dem in der Statorvorrichtung eine
Spannung induzierbar ist zur Umwandlung der kinetischen Energie der
Kolbeneinrichtung in elektrische Energie.
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In
einer ergänzenden Variante ist von der Statorvorrichtung
ein Magnetfeld erzeugbar mittels dem auf die Kolbeneinrichtung eine
Kraft aufbringbar ist, um die Bewegung des Kolbens zur Erzielung
eines bestimmten Druckes in dem Brennraum während der Verbrennung
zu steuern und/oder zu regeln. Auf den Kolben wirkt während
der Verbrennung eine Druckkraft. Um zu gewährleisten, dass
während der Verbrennung ein im Wesentlichen konstanter
Druck in dem Brennraum bei der Bewegung des Kolbens in der Kolbenaufnahme
herrscht, wird von dem Magnetfeld der Statorvorrichtung auf den
Kolben bzw. die Kolbeneinrichtung eine entsprechende Gegenkraft ausgeübt,
so dass der konstante Druck während der Verbrennung in
dem Brennraum möglich ist. Dabei müssen auch andere
Kräfte, die auf die Kolbeneinrichtung wirken, berücksichtig
werden, beispielsweise Reibungs- und Trägheitskräfte.
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In
einer weiteren Variante ist von der Freikolben-Verbrennungsmaschine
ein Otto-Prozess und/oder ein Dieselprozess ausführbar.
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Vorzugsweis
ist die Lage des ersten und zweiten Totpunktes des Kolbens steuerbar
und/oder regelbar, so dass der Hubraum und damit das Verdichtungsverhältnis
in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern der Freikolbenverbrennungskraftmaschine
und/oder geregelt werden können.
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Eine
erfindungsgemäße Hybridantriebseinrichtung für
ein Kraftfahrzeug mit einer Freikolben-Verbrennungsmaschine und
wenigstens einem Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeuges umfasst
eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Freikolbenverbrennungsmaschine.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Freikolben-Verbrennungsmaschine und/oder
eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hybridantriebseinrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Freikolben-Verbrennungsmaschine in
einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
schematische Darstellung der Freikolben-Verbrennungsmaschine in
einer zweiten Ausführungsform
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3 eine
stark schematisierte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung,
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4 eine
schematisierte Darstellung eines Kraftfahrzeuges und
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5 eine
Darstellung eines thermodynamischen Kreisprozesses der Freikolben-Verbrennungsmaschine
in einem p-V-Diagram.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform einer Freikolbenverbrennungsmaschine 1 mit
elektrischem Lineartrieb 2 dargestellt. Die Freikolbenverbrennungsmaschine 1 dient
zur Erzeugung von elektrischem Strom. In einer Kobenaufnahme 9 ist
eine Kolbeneinrichtung 3 angeordnet. Die Kolbeneinrichtung 3 umfasst
einen Kolben 4 und eine Läufervorrichtung 5.
Der Kolben 4 kann in der Kobenaufnahme 9 eine lineare
oszillierende Bewegung zwischen einem ersten und einem zweiten Totpunkt
ausführen. In der Läufervorrichtung 5 ist
ein als Permanentmagnet 7 ausgebildetes Magnetelement 6 vorhanden.
Konzentrisch um die Kolbenaufnahme 9 ist eine Statorvorrichtung 10 angeordnet.
Die Statorvorrichtung 10 umfasst Ringwicklungen 17,
welche bei der Durchleitung von elektrischem Strom im Inneren der
Kolbenaufnahme 9 ein magnetisches Feld erzeugen können.
Umgekehrt wird bei einer Bewegung des Permanentmagneten 7 in
der Kolbenaufnahme 9 in der Ringwicklung 17 der
Statorvorrichtung 10 ein elektrischer Strom induziert.
Die Bewegung der Kolbeneinrichtung 3 in einer Kolbenaufnahme 9 kann
damit zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. In der
Kolbenaufnahme 9 sind zwei Brennräume 18 vorhanden.
Die Brennräume 18 werden mittels zweier Ventile 16,
die jeweils als Einlass- und Auslassventil ausgebildet sind, durch
nicht dargestellte Einlass- und Auslassöffnungen mit Brenngas
befüllt oder nach der Verbrennung das Abgas aus dem Brennraum 18 wieder
herausgeleitet. Die Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 kann
sowohl einen Zweitakt oder Viertaktbetrieb ausführen und/oder
als Diesel- und/oder Ottomotor arbeiten. Zur Steuerung der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 ist
eine Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 11 vorhanden,
welche beispielsweise mit elektrischen Leitungen 15 mit der
Statorvorrichtung 10 verbunden ist.
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Die
Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 11 steuert und/oder
regelt dabei die Bewegung des Kolbens 4 dahingehend, dass
der Druck in dem Brennraum während der Verbrennung im Wesentlichen
konstant ist. Es tritt damit ein Gleichdruckprozess während
der Verbrennung auf, welche einen hohen und optimalen thermischen
Wirkungsgrad der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 in besonders vorteilhafter
Weise ermöglicht. In dem Brennraum 18 treten bei
der Ausführung eines Dieselprozesses Spitzendrücke
bzw. maximale Drücke im Bereich von 150 bis 200 bar auf.
Ottoprozesse führen in dem Brennraum 18 zu geringeren
Spitzdrücken von im Bereich von 80 bis 140 bar. Der von
dem expandierenden Brenngas in dem Brennraum 18 entstehende Druck übt
auf den Kolben 4 eine Kraft F2 aus. Die Kraft F2 bewegt
den Kolben 4 in 1 nach rechts. Um während
der Verbrennung den im Wesentlichen konstanten Druck zu erhalten,
wird von der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 11 von
der Statorvorrichtung 10 ein magnetisches Feld in der Kolbenaufnahme 9 erzeugt,
so dass auf die Kolbeneinrichtung 3 eine Kraft F1 wirkt.
Die Kraft F1 ist dabei der Kraft F2 gegengerichtet und ist bezüglich
Betrag und Vorzeichen dahingehend ausgelegt, dass der Kolben 4 sich
derart bewegt, dass ein im Wesentlichen konstanter Druck in dem
Brennraum 18 während der Verbrennung vorhanden
ist. Dabei werden neben der Kraft F2, die aus dem Druck in dem Brennraum 18 resultiert,
auch Reibungs- und/oder Massenkräfte der Kolbeneinrichtung 3 berücksichtigt.
Ferner sind in der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 auch
Mittel vorhanden, welche die genaue Position der Kolbeneinrichtung 3 in
der Kolbenaufnahme 9 bestimmen können und diese
der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 11 als Messsignale
zuführen (nicht dargestellt). Die Steuerungs- und/oder
Regeleinheit 11 steuert und/oder regelt damit die Statorvorrichtung 10,
so dass diese ein entsprechendes magnetisches Feld in der Kolbenaufnahme 9 erzeugt,
welches auf den Permanentmagneten 7 eine derartige Kraft
F1 aufbringt, so dass während der Verbrennung in dem Brennraum 18 der
Druck im Wesentlichen konstant ist zur Erzielung eines hohen thermischen
Wirkungsgrades der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 in
einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Dabei ist lediglich
der Permanentmagnet 7 gemäß der Ausführungsform
in 1 durch einen Elektromagneten 8 ersetzt.
Der Elektromagnet 8 weist dabei Ringwicklungen 17 auf,
die mittels nicht dargestellter Schleifringe mit Strom zur Erzeugung
eines magnetischen Feldes beaufschlagt werden können. Der
Elektromagnet 8 wird dabei auch von der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 11 entsprechend
angesteuert.
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In 3 ist
eine Hybridantriebseinrichtung 12 für ein Kraftfahrzeug 14 dargestellt.
Die Hybridantriebseinrichtung 12 umfasst eine Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 und
einen Elektromotor 13. Die Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 erzeugt
dabei Strom, mit dem der Elektromotor 13 angetrieben wird
zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges 14. In 4 ist
schematisiert ein Kraftfahrzeug 14 mit einer nicht dargestellten
Hybridantriebseinrichtung 12 abgebildet.
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In 5 ist
der thermodynamische Kreisprozess der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 in
einem p-V-Diagramm dargestellt. Dabei ist an der Abszisse Volumen/Vmax und der Ordinate der Druck p angetragen.
Wie aus 5 ersichtlich, ist der maximale Druck
bzw. der Spitzendruck etwas höher als 150 bar. Dabei tritt
der Spitzendruck während der Verbrennung im Wesentlichen
konstant auf, d. h. der Spitzendruck fällt während
der Verbrennung nur sehr geringfügig ab. Dies führt
als Gleichdruckprozess zu einem hohen thermischen Wirkungsgrad der
Freikolben-Verbrennungsmaschine 1.
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind
miteinander kombinierbar, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 wesentliche
Vorteile verbunden. Aufgrund der optimierten Steuerung und/oder
Regelung der Bewegung des Kolbens 4 nach dem Zünden
tritt während der Verbrennung ein im Wesentlichen konstanter Druck
auf. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise der thermische
Wirkungsgrad der Freikolben-Verbrennungsmaschine 1 erhöht.
In Kraftfahrzeugen 14 mit einer Hybridantriebseinrichtung 12 kann
dadurch in besonders vorteilhafter Weise Kraftstoff eingespart werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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