DE102009017713B4 - Free-piston internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Freikolben-Brennkraftmaschine, bestehend aus einem innerhalb einer gemeinsamen Kolbenaufnahmen axial beweglichem Freiflugkolbenpaar sowie mindestes einem durch einen gleichmäßig umlaufenden Kurbeltrieb geführten Kolben, gekennzeichnet dadurch, dass: a) zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Freiflugkolben ein gemeinsamer Brennraum ausgebildet ist, mit welchem die Freikolben in Wechselwirkung stehen; b) die Freikolben über die einander abgewandten Stirnseiten in Wechselwirkung mit je einer oder einer gemeinsamen Gasfeder stehen, welche durch gezielten Massezu- oder abstrom modulierbar sind; c) diese mindestens eine Gasfeder darüber hinaus mit mindestens einem Kurbelkolben eines gleichmäßig umlaufenden Kurbeltriebs in Wechselwirkung stehen; d) die beiden Freikolben mit je einer Schubstange verbunden sind, welche in allen möglichen Positionen der Freikolben aus der jeweiligen Stirnwand der Kolbenaufnahmen herausragen und gegen die abgedichtet sind; e) einer Umdrehung des Kurbeltriebes und dem daraus resultierenden Arbeitsspiel der Kurbelkolben je eine Flugphase der Freikolben und eine Stillstandzeit derselben zugeordnet sind; f) die Stillstandszeit...Free-piston internal combustion engine, consisting of a free-flight piston pair axially movable within a common piston receptacle and at least one piston guided by a uniformly rotating crank mechanism, characterized in that: a) a common combustion chamber is formed between the facing end faces of the two free-flight pistons, with which the free piston is formed interact; b) the free pistons interact with one or a common gas spring via the end faces facing away from one another, which can be modulated by targeted mass inflow or outflow; c) this at least one gas spring also interacts with at least one crank piston of a uniformly rotating crank drive; d) the two free pistons are each connected to a push rod, which protrude in all possible positions of the free piston from the respective end wall of the piston receptacles and are sealed against; e) one rotation of the crank mechanism and the resulting working cycle of the crank pistons are assigned a flight phase of the free pistons and a standstill time of the same; f) the downtime ...

Description

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Umsetzung einer Wärmekraftmaschine kleiner Leistungsauslegung mit verbessertem Wirkungsgrad. Darin werden die systemimmanenten Vorteile eines Freikolbenmotors, insbesondere seine HCCI-Eignung (homogene Selbstzündung) und die verringerten Wandungsverluste, mit einer vorteilhaften Arbeitsauskopplung als gleichmäßiger Drehbewegung verbunden.The object of the present invention is the implementation of a heat engine small power design with improved efficiency. Therein, the system-inherent advantages of a free-piston engine, in particular its HCCI suitability (homogeneous autoignition) and the reduced wall losses, are combined with an advantageous work extraction as a uniform rotational movement.

Die Erfordernis einer weiteren Einsparung von Kraftstoff und Emissionen bei der Wandlung von chemischer in mechanische Energie zwingt zu einer neuen Gewichtung der Vor- und Nachteile des Freikolbenprinzips in Brennkraftmaschinen gegenüber den etablierten Hubkolbenmotoren mit Kurbeltrieb (im Folgenden „Kurbelmotor”).The need for further fuel and emissions savings in the conversion of chemical to mechanical energy forces a rebalancing of the advantages and disadvantages of the free piston principle in internal combustion engines over the established reciprocating piston engine engines (hereafter "crank motor").

Gerade im unteren Leistungsbereich fällt der mechanischen Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen auf oftmals unwirtschaftliche Werte.Especially in the lower power range, the mechanical efficiency of internal combustion engines often falls to uneconomic values.

Mit der hier vorgestellten Erfindung einer Freikolbenbrennkraftmaschine (im Folgenden „Freikolbenmotor”) wird der thermodynamische Vorteil einer Brennkraftmaschine nach dem Freikolbenprinzip mit einer Leistungsabnahme in Form gleichförmiger Rotationsbewegung verbunden. Der kontinuierlichen und drehzahlabhängigen Bewegung der Kurbelkolben ist ein durch eine Stillstandsphase unterbrochenes Arbeitsspiel der Freikolben zugeordnet, wobei durch die gemeinsam modulierte Gasfeder sowohl eine wünschenswerte Freikolbentrajektorie als auch eine Leistungsabnahme am Kurbeltrieb realisiert wird. Innerhalb eines Arbeitsspiels der Freikolben resultiert im Brennraum ein thermodynamischer Kreisprozess nach dem Zweitakt-Otto-Prinzip mit maximalem Verdichtungsverhältnis und sehr schneller Expansion des heißen Brenngases nach der Zündung.With the present invention presented here a free-piston internal combustion engine (hereinafter "free piston engine"), the thermodynamic advantage of an internal combustion engine is connected to the free-piston principle with a power decrease in the form of uniform rotational movement. The continuous and speed-dependent movement of the crank piston is associated with an interrupted by a stoppage phase working cycle of the free piston, wherein both a desirable free piston trajectory and a power decrease is realized on the crank mechanism by the jointly modulated gas spring. Within a working cycle of the free piston results in the combustion chamber, a thermodynamic cycle according to the two-stroke Otto principle with maximum compression ratio and very fast expansion of the hot fuel gas after ignition.

Weitere Vorzüge des Freikolbenmotors gegenüber dem Kurbelmotor bestehen in der Verbesserung des Gasladungswechsels nach dem Zwei-Takt-Prinzip und einer Entlastung des Kurbeltriebs von den enormen Druckspitzen zum Zündungszeitpunkt.Further advantages of the free-piston engine over the crank motor consist in the improvement of the gas charge change according to the two-stroke principle and a relief of the crank mechanism from the enormous pressure peaks at the time of ignition.

Der Freikolbenmotor verspricht die meisten Vorteile, wo Motoren kleinster Leistung mit hoher Laufleistung zum Einsatz kommen. Für den Einsatz in Mikro-BHKW-Anlagen (Stromerzeugende Heizung) ergibt sich ein riesiges Marktpotential, welches mit der heutigen Technik (rund 20% elektrischer Wirkungsgrad) nicht den Durchbruch schafft.The free-piston engine promises the most advantages, where engines of minimal performance with high mileage are used. For use in micro CHP plants (electricity generating heating) results in a huge market potential, which does not make the breakthrough with today's technology (about 20% electrical efficiency).

Als Brennkraftmaschine in Hybrid-Fahrzeugen könnte der Freikolbenmotor ein mobiles Anwendungsfeld erschließen.As an internal combustion engine in hybrid vehicles, the free-piston engine could open up a mobile field of application.

Stand der TechnikState of the art

In der Patentliteratur findet sich eine Reihe von Brennkraftmaschinen in Freiflugkolbenausführungen mit Lineargenerator (z. B. WO 2004/022946 A1 oder DE 102 19 549 B4 ). Der Nachteil dieser Freiflugkolbenmotore gegenüber einem klassischen Hubkolbenmotor besteht in der Notwendigkeit, die axiale Kolbenführung über ein gesamtes Arbeitsspiel zu kontrollieren. Es sind hier weder die Totpunkte der Kolbenauslenkung, noch die Rückführung des Kolbens in die obere Totpunktstellung durch eine Kurbelwelle festgelegt. Auch ist die Leistungsabnahme nicht in der bequemen Form von gleichförmiger Rotationsbewegung möglich.The patent literature discloses a number of internal combustion engines in free-flight piston designs with a linear generator (eg. WO 2004/022946 A1 or DE 102 19 549 B4 ). The disadvantage of these free-piston engines over a classic reciprocating engine is the need to control the axial piston guide over an entire working cycle. There are neither the dead center of the piston deflection, nor the return of the piston in the top dead center position determined by a crankshaft. Also, the power reduction is not possible in the convenient form of uniform rotational movement.

In der Patentschrift US 2004/0035377 A1 wird eine „Two-Stroke Cycle, Free Piston, Shaft Power Engine” vorgestellt. Nach Beendigung des effektiven Arbeithubs durch einen Kurbelkolben-Federelement-Freiflugkolben-Verbund löst sich unter der Wirkung dieses Federelements ein Freiflugkolben vom Kurbelkolben, dessen Oberseite das Abgas austreibt und dessen Unterseite Frischluft ansaugt. Während dieser Phase gibt der Kurbelkolben die Einlassschlitze für die Ansaugluft frei. Anschließend verdichtet der Kurbelkolben die Frischluft auf seinem Weg zum oberen Totpunkt und spannt das Federelement zwischen Frei- und Kurbelkolben. Dabei wird die Frischluft durch den Freiflugkolben hindurch in den eigentlichen Brennraum oberhalb des Freiflugkolbens gerückt. Ein umgekehrter Gasdurchtritt (von Abgas zu Frischluft) wird durch Klappen im Freiflugkolben verhindert.In the patent US 2004/0035377 A1 is presented a "Two-Stroke Cycle, Free Piston, Shaft Power Engine". After completion of the effective working stroke by a crank-piston spring element free-piston composite dissolves under the action of this spring element, a free-piston from the crank piston whose top drives out the exhaust and the underside sucks fresh air. During this phase, the crank piston releases the inlet slots for the intake air. Subsequently, the crank piston compresses the fresh air on its way to top dead center and biases the spring element between the free and the crank pistons. The fresh air is moved through the free-flow piston into the actual combustion chamber above the free-flowing piston. A reverse gas passage (from exhaust to fresh air) is prevented by flaps in the free-flowing piston.

Intention dieser US-Patentschrift ist die Nutzung der Drehphase der Kurbelwelle um den unteren Totpunkt des Kurbelkolbens mit seiner dort geringen Geschwindigkeit für einen räumlich getrennten Gasladungswechsel. Insbesondere hat das Arbeitsgas während der Expansion keine Möglichkeit sich schneller auszudehnen, als es die Bewegung des Kurbelkolbens gestattet. Auch durch die interne und adiabate Kompression der Ansaugluft ist diese US-Patentschrift von der hier vorgestellten abgegrenzt.Intention of this US patent is the use of the rotational phase of the crankshaft to the bottom dead center of the crank piston with its low speed there for a spatially separate gas charge change. In particular, the working gas has no possibility during the expansion faster expand as it allows the movement of the crank piston. Also by the internal and adiabatic compression of the intake air, this US patent is delimited from the presented here.

In einer weiteren Patentschrift US 006035814 A wird ein Freiflugkolbens mit einem Hubkolben in einer Brennkraftmaschine kombiniert. Der Brennraum befindet sich dabei zwischen Hubkolben und Freiflugkolben. Nach der Zündung des Brennstoffgemisches bewegt sich der Freiflugkolben zunächst gegenläufig zum Hubkolben gegen einen Rückfederraum. Damit verlässt er seinen Ventilsitz und es strömt, durch den geringeren Durchmesser des Freiflugkolbens als der des Zylinders, Brenngas in diesen Rückfederraum. Dieses Zwischenspeichern von Brenngas durch Druckausgleich zwischen Brennraum und Rückfederraum dürfte den Wirkungsgrad jedoch negativ beeinflussen. Als ein Vorteil wird Brennstoffgemischs genannt, da der Freiflugkolben und der Rückfederraum eine obere Druckbegrenzung bei der Kompression des Brennstoffgemischs gewährleisten.In another patent US 006035814 A a free-flowing piston is combined with a reciprocating piston in an internal combustion engine. The combustion chamber is located between reciprocating piston and free-piston. After the ignition of the fuel mixture, the free-moving piston initially moves in opposite directions to the reciprocating piston against a resilience space. He leaves his valve seat and it flows, due to the smaller diameter of the free-flow piston than that of the cylinder, fuel gas in this resilience space. However, this buffering of fuel gas by pressure equalization between the combustion chamber and the springback space is likely to adversely affect the efficiency. As an advantage fuel mixture is called because the free-flying piston and the resilience space ensure an upper pressure limit in the compression of the fuel mixture.

In der Patentschrift DE 10 2007 017 033 B3 wird ein Freikolbenmotor mit Kurbeltrieb vorgestellt, in dem, ebenso wie hier, ein Freikolben-Gasfeder-System zwischen Brennraum und Kurbelkolben eingefügt ist.In the patent DE 10 2007 017 033 B3 a free-piston engine with crank mechanism is presented, in which, as here, a free-piston gas spring system is inserted between the combustion chamber and the crank piston.

Statt durch eine frei steuerbare Sperrvorrichtung wird dort die Zuordnung der Freikolben-Trajektorie zu den Kurbelkolben durch die Züdung ausgelöst. Das Brenngas eines gemeinsamen Brennraumes bescheunigt aus einem zentralen mittleren Anschlag heraus gegenläufig ein Freiflug-Gegenkolbenpaar, wobei das Brenngas außerhalb des Brennraumes vorverdichtet wurde.Instead of a freely controllable locking device there is the assignment of the free-piston trajectory to the crank piston triggered by the Züdung. The fuel gas of a common combustion chamber accelerates from a central central stop out in opposite directions a free-flight piston pair, the fuel gas was pre-compressed outside the combustion chamber.

Durch eine Rückverdichtung und Überdruckausstoßung des Brenngases werden die Freiflugkolben in ihrer Rückbewegung zum inneren Totpunkt abgebremst.By recompression and overpressure ejection of the fuel gas, the free-flowing pistons are braked in their return movement to the inner dead center.

Die wichtigsten Unterschiede der hier vorgestellten Freikolben-Brennkraftmaschine zu diesem Patent sind nachfolgend gegenübergestellt. DE 10 2007 017 033 B3 Freikolben-Brennkraftmaschine • Zentraler mittlerer Anschlag für die Freikolben • Frei steuerbare Sperrvorrichtung der Freikolben • Rückverdichtung des Brenngases für Freikolbenabbremsung • Maximale Entspannung des Brenngases im Freikolbenmotor • Zwingend Fremdzündung • Idealerweise Selbstzündung • Externe Verdichtung des Brenngemisches • Interne Verdichtung des Brenngemisches • Luftverhältnis nahe 1 • Sehr magerer Betrieb möglich • Hoher Aufwand an Nebenaggregaten und Hilfsenergie • Geringer Aufwand an Nebenaggregaten und Hilfsenergie The most important differences between the free-piston internal combustion engine presented here and this patent are compared below. DE 10 2007 017 033 B3 Free-piston internal combustion engine • Central center stop for the free pistons • Freely controllable locking device of the free piston • Recompression of the fuel gas for free piston deceleration • Maximum expansion of the fuel gas in the free-piston engine • Mandatory spark ignition • Ideally, auto-ignition • External compression of the fuel mixture • Internal compression of the fuel mixture • Air ratio near 1 • Very lean operation possible • High expenditure of auxiliary equipment and auxiliary energy • Low expenditure on ancillary units and auxiliary power

In der Patentschrift DE 10 2006 019 582 B3 wird ein „Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor mit Lineargenerator” beschrieben, in welchem die Leistungsauskopplung durch einen Lineargenerator bewerkstelligt wird.In the patent DE 10 2006 019 582 B3 is a "two-stroke free-flight piston engine with linear generator" described in which the power extraction is accomplished by a linear generator.

Topologie und Prinzip eines erfindungsgemäßen FreikolbenmotorsTopology and principle of a free-piston engine according to the invention

Eine Variante eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors mit gutem Massenausgleich und kompakter Bauweise ist in dargestellt.A variant of a free-piston engine according to the invention with good mass balance and compact design is in shown.

Die beiden Kurbelkolben (1) eines gleichmäßig umlaufenden Kurbeltriebs (5) in Boxer-Ausführung begrenzen und modifizieren einen gemeinsamen Gasfederraum (3), welcher ebenso von zwei gegenläufigen Freikolben (2) begrenzt wird. Die Freikolben verfügen über aus den Zylinderstirnseiten herausragenden und gegen diese abgedichtete Schubstangen (7), durch welche sie mittels einer Sperrvorrichtung (4) fixiert werden können. Während dieser Fixierung (4b) in ihren Äußeren Totpunkten (ÄT) erfolgen im ruhenden, maximal ausgedehnten Brennraum (6) der Gasaustausch und die Gemischbildung.The two crank pistons ( 1 ) of a uniformly rotating crank mechanism ( 5 ) in boxer design and modify a common gas spring chamber ( 3 ), which also by two opposing free pistons ( 2 ) is limited. The free pistons have protruding from the cylinder end faces and sealed against these push rods ( 7 ), by which they by means of a locking device ( 4 ) can be fixed. During this fixation ( 4b ) in their outer dead centers (ÄT) take place in the resting, maximally extended combustion chamber ( 6 ) gas exchange and mixture formation.

Nach Beendigung des Ladungswechsels beginnt durch die Freigabe der Kolbensperre (4a) die Flugphase der Freikolben, bestehend aus Brenngasverdichtung, Selbstzündung im Inneren Totpunkt (IT) und Rückflug zu den Äußeren Totpunkten. Der Zeitpunkt der Kolbenfreigabe ist dabei mit allen anderen Einflussparametern dermaßen abgestimmt, dass einen gute Betriebsführung, ein maximaler Wirkungsgrad und eine hohe Regelstabilität gewährleistet sind.After completion of the charge cycle begins by the release of the piston lock ( 4a ) the flight phase of the free piston, consisting of fuel gas compression, auto-ignition in the internal dead center (IT) and return flight to the external dead centers. The timing of the piston release is coordinated with all other influencing parameters so that good operation, maximum efficiency and high control stability are guaranteed.

Vorteile eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors Advantages of a free-piston engine according to the invention

zeigt die Wandlung des idealen Druck-Volumenverlaufs des Brenngases in den Verlauf von Gasfederdruck und Volumenänderung der Kurbelkolben. Die Belastungsspitze des Kurbeltriebes ist in einem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor gegenüber einem konventionellen Kurbelmotor deutlich verringert, wobei die Druckänderung auf die Kurbelkolben durchgehend stetig und weniger steil verläuft. shows the conversion of the ideal pressure-volume curve of the fuel gas in the course of gas spring pressure and volume change of the crank piston. The load peak of the crank mechanism is significantly reduced in a free-piston engine according to the invention compared to a conventional crank motor, wherein the pressure change to the crank piston is continuously continuous and less steep.

Während sich das p-V-Diagramm des Brennraumes im Freikolbenmotor (links in ) exakt mit dem eines Vergleichs-Kurbelmotors (gleiches Verdichtungsverhältnis) deckt, zeigt den enormen Geschwindigkeitsunterschied mit dem diese Kurve im Hochtemperaturbereich des Brenngases durchlaufen wird.While the pV diagram of the combustion chamber in the free-piston engine (left in ) exactly with that of a comparison crank motor (same compression ratio) covers shows the enormous speed difference with which this curve is traversed in the high-temperature range of the fuel gas.

Im Freikolbenmotor wird 25 Grad Kurbelwinkel nach der Zündung schon eine Entspannung des Brenngases auf 5 bar (gestrichelte Linie in ) erreicht. Der konventionelle Kurbelmotor benötigt dafür rund 90 Grad. Noch asymmetrischer wird die Betrachtung im Bereich höherer Drücke und Temperaturen. 25 Grad Kurbelumdrehung nach der Zündung hat sich der Brennraumdruck im Kurbelmotor gerade auf 40 bar halbiert. Der Freikolben benötigt dafür mit rund 5 Grad nur ein Fünftel dieser Zeit.In the free-piston engine 25 degrees crank angle after ignition already a relaxation of the fuel gas to 5 bar (dashed line in ) reached. The conventional crank motor requires about 90 degrees. Even more asymmetrical is the consideration in the range of higher pressures and temperatures. 25 degrees crank rotation after ignition, the combustion chamber pressure in the crank motor has just halved to 40 bar. The free piston needs about 5 degrees, only one fifth of this time.

In diesen Zahlenwerten zeigt sich die deutliche Überlegenheit des Freikolbenmotors im Gütegradminderungsgrund „Wandungsverluste” gegenüber dem konventionellen Kurbelmotor. Das extrem heiße Brenngas staut sich nun nicht mehr unnötig lange hinter den zwangsgeführten Kurbelkolben und überträgt nur ein Bruchteil der Wärme wie im Kurbelmotor auf Kolben und Zylinderwand.These numerical values show the clear superiority of the free-piston engine in the degree of degradation "wall losses" compared to the conventional crank motor. The extremely hot fuel gas now no longer jams unnecessarily long behind the positively driven crank piston and transmits only a fraction of the heat as in the crank motor on piston and cylinder wall.

Dabei profitiert der Kurbeltrieb erst später von dieser schnellen Volumenarbeit des Brenngases. Vorerst wird diese als kinetische Energie der Freikolben zwischengespeichert.The crank mechanism profits later from this rapid volume work of the fuel gas. For the time being, this is temporarily stored as the kinetic energy of the free piston.

Durch die Selbstentzündung des Brenngemisches wird zum einen immer die maximale Verdichtung und damit der höchstmögliche Wirkungsgrad erreicht, zum anderen führt der so idealisierte Gleichraum-Prozess und die anschließend deutlich schnellere initiale Brenngasausdehnung zu entsprechend geringeren Wärmeverlusten und einer Annäherung des realen Prozesses an den idealen Vergleichsprozess.On the one hand, the maximum compression and therefore the highest possible efficiency are always achieved by the spontaneous ignition of the combustion mixture. On the other hand, the idealized equalization process and the subsequently significantly faster initial expansion of fuel gas result in correspondingly lower heat losses and an approximation of the real process to the ideal comparison process.

Die Erfordernis einer nichtschlagartigen Verbrennung wie im konventionellen Kurbelmotor entfällt, da die Spitzenbelastungen auf die Freikolben nicht begrenzt ist.The requirement of a non-impact combustion as in the conventional crank motor is eliminated because the peak loads on the free piston is not limited.

Der Betrieb mit sehr magerem und homogenem Brennstoffgemisch gewährleistet darüber hinaus eine minimale Schadstoffproduktion.The operation with a very lean and homogeneous fuel mixture also ensures a minimum pollutant production.

Vorteile im ÜberblickAdvantages at a glance

  • – Maximales Verdichtungsverhältnis für höchstem Wirkungsgrad- Maximum compression ratio for maximum efficiency
  • – Besserer Gütegrad durch Verringerung der Wandungs- und Durchblasverluste- Better quality by reducing the wall and blowing losses
  • – Entlastung des Kurbeltriebes- Relief of the crank mechanism
  • – Extrem magerer Betrieb möglich- Extremely lean operation possible
  • – Senkung der NOx-, CO- und HC-Produktion- Reduction of NOx, CO and HC production
  • – Trennung von thermisch belastetem Freikolben und querbelastetem Kurbeltrieb- Separation of thermally loaded free piston and cross-loaded crank drive
  • – 2-Takt-Prinzip ohne Spülverluste- 2-stroke principle without flushing losses
  • – Betrieb mit beliebigen gasförmigen und flüssigen Brennstoffen möglich- Operation with any gaseous and liquid fuels possible

Die Arbeitsphasen des FreikolbenmotorsThe working phases of the free-piston engine

zeigt die Positionen der Kolben in ihren Totpunkten und die Zuordnung der Freikolbenphasen durch die Sperrvorrichtungen zu den kontinuierlich umlaufenden Kurbelkolben. shows the positions of the pistons in their dead centers and the assignment of the free piston phases by the locking devices to the continuously rotating crank piston.

Während der gesamten Einwärtsbewegung der Kurbelkolben (0–180°) sind die Freikoben in Ihren Äußeren Totpunkten gesperrt. Es resultiert eine adiabate Entspannung der durch die Freikolben gespannten Gasfeder durch die Kurbelkolben und eine hohe Arbeitsabnahme an denselben.During the entire inward movement of the crank pistons (0-180 °), the free cambers are locked in their outer dead centers. The result is an adiabatic relaxation of the tensioned by the free piston gas spring by the crank piston and a high decrease in the work to the same.

Bei rund 190° werden die Freikolben freigegeben und durch den höheren Druck in der Gasfeder gegenüber dem Brennraum nach innen beschleunigt (Phase B1). Gegen Ende von B1 kehrt sich das Druckverhältnis in Brennraum und Gasfeder um und die Freikolben werden auf ihrem Weg nach innen abgebremst. Sie laufen durch ihre kinetische Energie noch weiter bis zu ihren Inneren Totpunkten, in denen die Selbstentzündungstemperatur des Brenngases erreicht wird und das Brenngemisch schlagartig verbrennt. Dies zeigt sich in einem nochmaligen Anstieg der ohnehin schon steilen Freikolben-Geschwindigkeitskurve bei rund 300° („Zündung” in ).At around 190 °, the free pistons are released and accelerated inwards against the combustion chamber due to the higher pressure in the gas spring (Phase B1). Towards the end of B1, the pressure ratio in the combustion chamber and gas spring reverses and the free pistons are decelerated on their way inwards. They run through their kinetic energy even further to their internal dead centers, in which the auto-ignition temperature of the fuel gas is reached and burns the fuel mixture abruptly. This is reflected in a further increase in the already steep free-piston velocity curve at around 300 ° ("ignition" in ).

Das Wechselspiel von
Gasarbeit → kinetischer Energie → Gasarbeit
erfolgt in der Rückflugphase analog dazu mit umgekehrten Vorzeichen bis zum Erreichen der Äußeren Totpunkte (ÄT). Durch die hohen Beschleunigungen in Phase B2 wird in sehr kurzer Zeit der gesamte Rückweg der Freikolben (letztes Flächenstück über der schwarzen Kurve in ) bewerkstelligt mit der Folge einer kürzestmöglichen Kontaktzeit des heißen Brenngases mit der kalten Kolbenaufnahme und den Freikolben.The interplay of
Gas work → kinetic energy → gas work
takes place in the return flight phase in the same way with the opposite sign until it reaches the outer dead center (ÄT). Due to the high accelerations in phase B2, the entire return path of the free pistons (last area above the black curve in ) accomplished with the consequence of a shortest possible contact time of the hot fuel gas with the cold piston seat and the free piston.

Während der Übergang von Phase A nach Phase B1 durch das kontrollierte Lösen der Kolbensperre bewusst gesteuert werden kann, ergibt sich der Übergang von B1 nach B2 und weiter nach A aus dem Zusammenspiel aller anderen Einflussparameter.While the transition from phase A to phase B1 can be controlled deliberately by the controlled release of the piston lock, the transition from B1 to B2 and further to A results from the interaction of all other influencing parameters.

Kommen die Freikolben wieder zum Stillstand (Ende von B2), schließt sich deren Kolbensperre und ist ein Phasenwechsel durchlaufen.When the free pistons come to a standstill (end of B2), their piston lock closes and undergoes a phase change.

Die zugeführte Brennstoffmenge bestimmt dabei, ob die Äußeren Totpunkte vor einer jeweiligen Flugphase durch die Freikolben wieder genau getroffen werden (stationärer Betrieb), überlaufen (zunehmendes Drehmoment) oder nicht erreicht werden (abnehmendes Drehmoment).The supplied amount of fuel determines whether the outer dead centers are met again exactly before a respective flight phase by the free piston (stationary operation), overrun (increasing torque) or not achieved (decreasing torque).

Der Rückhub der Kurbelkolben (Auswärtsbewegung, 180–360°) erfolgt gegenüber der Einwärtsbewegung gegen einen verringerten Druck der Gasfeder, da während dieser Phase die Freikoben zwischen ihren Totpunkten unterwegs sind und somit die Gasfeder entspannen. Es resultiert zu Beginn des Rückhubes eine Verschiebung der Gasfeder, was sich in einem fast plateauförmigen Druckverlauf der Gasfeder zeigt (unterer Linienzug für „Kurbelkolben” in ).The return stroke of the crank pistons (outward movement, 180-360 °) takes place against the inward movement against a reduced pressure of the gas spring, since during this phase the free tops between their dead points are on the way and thus relax the gas spring. This results in the beginning of the return stroke, a shift of the gas spring, which is in an almost plateau-shaped pressure curve of the gas spring shows (lower trace for "crank piston" in ).

Über den Gasfederdruck, die Öffnungszeit der Freikolbensperre und weitere regelbare Einflussparameter wird eine gute Betriebsführung des Freikolbenmotors in einem definierten Drehzahl-Last-Kennfeld gewährleistet. Darüber hinaus kann über diese Einflussparameter leicht die Anforderung eines „Synchron-Zueinander”- und „Mittig”-Haltens des korrespondierenden Freiflugkolbenpaares erfüllt werden.About the gas spring pressure, the opening time of the free-piston lock and other controllable influence parameters a good operation of the free-piston engine in a defined speed-load map is guaranteed. In addition, the requirement of "synchronous to each other" and "centered" holding of the corresponding free-flying piston pair can easily be met via these influencing parameters.

Claims (1)

Freikolben-Brennkraftmaschine, bestehend aus einem innerhalb einer gemeinsamen Kolbenaufnahmen axial beweglichem Freiflugkolbenpaar sowie mindestes einem durch einen gleichmäßig umlaufenden Kurbeltrieb geführten Kolben, gekennzeichnet dadurch, dass: a) zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Freiflugkolben ein gemeinsamer Brennraum ausgebildet ist, mit welchem die Freikolben in Wechselwirkung stehen; b) die Freikolben über die einander abgewandten Stirnseiten in Wechselwirkung mit je einer oder einer gemeinsamen Gasfeder stehen, welche durch gezielten Massezu- oder abstrom modulierbar sind; c) diese mindestens eine Gasfeder darüber hinaus mit mindestens einem Kurbelkolben eines gleichmäßig umlaufenden Kurbeltriebs in Wechselwirkung stehen; d) die beiden Freikolben mit je einer Schubstange verbunden sind, welche in allen möglichen Positionen der Freikolben aus der jeweiligen Stirnwand der Kolbenaufnahmen herausragen und gegen die abgedichtet sind; e) einer Umdrehung des Kurbeltriebes und dem daraus resultierenden Arbeitsspiel der Kurbelkolben je eine Flugphase der Freikolben und eine Stillstandzeit derselben zugeordnet sind; f) die Stillstandszeit der Freikolben immer in deren Äußeren Umlenkpunkten über die Schubstangen durch je eine Feststellvorrichtung erzwungen wird; g) der Ladungswechsel im Brennraum während der erzwungenen Ruhelagen der Freiflugkolben über mindestens je ein Einlass- und Auslassventil realisiert wird; h) durch die Lösung der Feststellvorrichtung die Einwärts-Flugphase der Freikolben gezielt gestartet wird, welche mit der synchronen Einwärts-Bewegung der Freikolben einerseits zu einer Entspannung und Verschiebung der Gasfeder und andererseits zu einer Verdichtung des Brenngemischs im Brennraum führt; i) gegen Ende der Stillstandsphase der Freikolben oder zu Beginn ihrer Einwärts-Flugphase eine definierte Menge an flüssigem oder gasförmigen Brennstoff dem Brennraum zugeführt wird; j) im bzw. kurz vor Erreichen der Inneren Totpunkte durch die Freikolben das Brenngemisch schlagartig verbrennt; k) eine zentrale elektronische Steuereinheit in einem definierten Drehzahl-Last-Kennfeld durch Einflussnahme auf alle veränderlichen Parameter einen optimale Betriebsführung und hohen Wirkungsgrad gewährleistet, wobei der Kurbelwinkel des Kurbeltriebs zum Zeitpunkt der Lösung der Feststellvorrichtung als Stellgröße für eine optimale Einwärtsflugphase der Freikolben und die zugeführte Kraftstoffmenge als Stellgröße für die Auswärtsflugphase der Freikolben fungiert; l) geeignete Maßnahmen nach dem Stand der Technik für Schmierung, Kolbenabdichtung, Ladungswechsel, Gemischbildung, Kühlung, und Abgasreinigung in einer Freikolben-Brennkraftmaschine zur Anwendung kommen.Free piston internal combustion engine, consisting of a within a common piston receiving axially movable free flight piston pair and at least one guided by a uniformly rotating crank piston, characterized in that: a) formed between the facing end faces of the two free-piston a common combustion chamber, with which the free piston interact; b) the free piston on the opposite end faces interact with one or a common gas spring, which can be modulated by targeted Massezu- or downstream; c) these at least one gas spring in addition interact with at least one crank piston of a uniformly rotating crank mechanism; d) the two free pistons are each connected to a push rod, which protrude in all possible positions of the free pistons from the respective end wall of the piston receivers and are sealed against the; e) one revolution of the crank mechanism and the resulting working cycle of the crank piston are each assigned a flight phase of the free piston and a downtime thereof; f) the idle time of the free piston is always forced in their outer deflection points on the push rods by a respective locking device; g) the charge change in the combustion chamber is realized during the forced rest positions of the free-flowing pistons via at least one respective intake and exhaust valve; h) by the solution of the locking device, the inward flight phase of the free piston is started specifically, which leads to the synchronous inward movement of the free piston on the one hand to a relaxation and displacement of the gas spring and on the other hand to a compression of the fuel mixture in the combustion chamber; i) towards the end of the stoppage phase of the free piston or at the beginning of their inward flight phase, a defined amount of liquid or gaseous fuel is supplied to the combustion chamber; j) abruptly burns the fuel mixture in or shortly before the internal dead centers are reached by the free pistons; k) a central electronic control unit in a defined speed-load map by influencing all variable parameters ensures optimum operation and high efficiency, the crank angle of the crank mechanism at the time of solving the locking device as a control variable for an optimal inward flight phase of the free piston and the supplied Fuel quantity acts as a control variable for the outward flight phase of the free pistons; l) suitable measures according to the state of the art for lubrication, piston sealing, charge exchange, mixture formation, cooling, and exhaust gas cleaning in a free-piston internal combustion engine are used.
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