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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Freikolben-Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Offenbarung eine Kolbenanordnung. Schließlich betrifft die Offenbarung eine Brennkraftmaschine mit einer solchen hin- und her bewegbaren Kolbenanordnung. Üblicherweise sind solche Brennkraftmaschinen als Freikolbenmotoren bekannt.
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Beispielsweise ist eine solche Brennkraftmaschine aus
DE 80 20 723 U1 bekannt, die eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem symmetrischen, freiliegenden Stufenkolben offenbart, der mindestens zwei Kolbenstufen aufweist, die beweglich je in einer mit Auslassschlitzen versehenen Brennkammer angeordnet sind, die jeweils durch einen Kanal mit einem Vorverdichterraum verbunden ist. Dabei sind die Kolbenstufen zwischen den Brennkammern axial innen angeordnet.
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Aus
DE 35 18 982 A1 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit freiliegenden Stufenkolben bekannt, der mindestens zwei auf einer gemeinsamen Kolbenstange angeordneten Kolbenstufe aufweist und zusammen mit einem Mehrkammerzylinder zwei Vorverdichter und mindestens zwei Brennkammern bildet.
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Ferner ist aus
DE 26 52 228 A1 eine Motor mit zwei beabstandeten Arbeitskammern bekannt, die von einer Zylinderwand begrenzt sind, mit einem Kolben, der gesteuert durch den in den Arbeitskammern herrschenden Gasdruck und gegen die Zylinderwand gasfest abgedichtet in der Arbeitskammer linear bewegbar ist, wobei Führungselemente an dem Kolben und and er Zylinderwand angeordnet sind, dass sie den Kolben bei seiner axialen Bewegung in eine Drehbewegung steuern.
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Zwar weisen Zweitakter-Freikolbenmotoren die Vorteile eines kompakten leichten Aufbaus, von sehr hohen Schwingungszahlen und Verdichtungen, praktisch keinen Reibungsverlusten und den Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen auf, jedoch haben diese Zweitakter-Freikolbenmotoren den Nachteil, dass sie aufgrund eines Fehlens fest definierter Totpunkte schwer zu steuern sind. Ferner bleibt ein solcher Motor bei einer Fehlzündung stehen. Zudem wird die Kraft rein linear entfaltet und systembedingt haben Zweitaktmotoren erhöhte Abgaswerte. Typischerweise sind Freikolbenmotoren, insbesondere Zweitakt-Freikolbenmotoren, wirtschaftlicher als Otto- oder Dieselmotoren.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die gattungsgemäßen Kolben und Brennkraftmaschine derart weiterzuentwickeln, dass sie die Nachteile des Stands der Technik überwinden, insbesondere die Nachteile vermieden werden ohne den konstruktiven Aufwand wesentlich zu erhöhen.
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Ein erster Aspekt betrifft eine Freikolben-Brennkraftmaschine. Diese umfasst ein Motorgehäuse, und eine darin in Axialrichtung bewegbare Kolbenanordnung, umfassend mindestens einen ersten Kolben, und eine erste Kolbenstange, die sich in Axialrichtung auf der Zylinderachse des ersten Kolbens erstreckt, wobei der Kolben an der ersten Kolbenstange befestigt ist und mindestens eine erste brennraumseitige Stirnfläche aufweist, die einem Brennraum zugewandt ist und diesen in einer Axialrichtung begrenzt, und einen Vorsprung, der an der ersten Kolbenstange oder der Mantelfläche des Kolbens angeordnet ist, und eine Nut, die an dem Motorgehäuse angeordnet ist und zwei Seitenwände aufweist, deren Abstand voneinander eine Breite der Nut definiert, wobei die mindestens eine erste brennraumseitige Stirnfläche derart geformt ist, dass der Kolben durch ein auf die Stirnfläche auftreffendes Gas in eine Drehung in eine erste Drehrichtung um die Zylinderachse versetzbar ist, und wobei die Nut mindestens doppelt so breit wie der Vorsprung ist, so dass der Vorsprung ohne Berührung der Seitenwände durch die Nut führbar ist.
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Dem obigen Gegenstand liegt somit auch die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Beaufschlagung einer kontrollierten Drehung des Kolbens eine Steuerung wesentlich vereinfacht werden kann und eine Brennkraftmaschine mit einem besonders großen Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann. Damit die rein lineare Bewegung einfach und verlustarm in eine Drehbewegung umgesetzt werden kann, wird die Kolbenstange mit dem Kolben um eine Rotation um deren Längsachse versetzt. Hierzu wird beispielsweise die brennraumseitige Stirnfläche eines Kolbens nicht glatt, sondern ähnlich einem Turbinenrad mit Furchen und Erhebungen versehen, die von der Mitte zum Rand verlaufen. Zusätzlich kann in einer Ausführungsform die Kolbenstange axial verlängert und mechanisch oder elektromagnetisch geführt werden. Durch die Drehung des Kolbens ist stets seine genaue Position bekannt, beispielsweise ob sich der Kolben an einer ersten axialen Extremposition oder einer zweiten axialen Extremposition befindet.
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Insbesondere wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, dass die Kolbenstange durch eine Führung und die Auslegung der Kolbenstirnflächen in Anlehnung an eine Turbine in Rotation versetzt werden. In einer typischen Ausführungsform folgt eine definierte Laufbahn einer liegenden Acht.
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In einer Ausführungsform kann der Kolben eine zweite im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse stehende brennraumseitige Stirnfläche aufweisen, die axial gegenüberliegend zur ersten brennraumseitigen Stirnfläche angeordnet ist, und derart geformt ist, dass der Kolben durch ein auf die brennraumseitige Stirnfläche auftreffendes Gas in eine Drehung um die Zylindersachse versetzbar ist, insbesondere in die erste Drehrichtung.
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Ferner ist eine Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite brennraumseitige Stirnfläche spiegelsymmetrisch zu einer Radialebene senkrecht zur Zylinderachse in dem Kolben sind.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die mindestens eine brennraumseitige Stirnfläche eine radiale Referenzebene aufweisen, die in Brennraumrichtung an einer maximalen Erhebung angeordnet ist, wobei die Stirnfläche in Bezug auf die Stirnfläche mindestens eine Vertiefung aufweist, wobei die Vertiefungen insbesondere sägezahnartig geformt sind.
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Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Vertiefungen sich in radialer Richtung, insbesondere sternförmig, erstrecken.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Kolbenanordnung eine zweite Kolbenstange umfasst, an der mindestens ein zweiter Kolben befestigt ist, wobei insbesondere die zweite Kolbenstange sich in Axialrichtung auf der Zylinderachse des mindestens zweiten Kolbens erstreckt, wobei vorzugsweise die erste und zweite Kolbenstange parallel nebeneinander angeordnet sind.
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Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass an der ersten Kolbenstange und/oder an der zweiten Kolbenstange mindestens ein zweiter Kolben gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung befestigt ist, wobei insbesondere die erste bzw. zweite Kolbenstange sich in Axialrichtung auf der Zylinderachse des zweiten Kolbens erstreckt, wobei vorzugsweise der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Kolben voneinander beabstandet an der ersten bzw. zweiten Kolbenstange befestigt sind.
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In einer Ausführungsform können die erste Kolbenstange und die zweite Kolbenstange derart gekoppelt sein, dass die erste Kolbenstange gemeinsam mit der zweiten Kolbenstange in deren Axialrichtung bewegbar ist.
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Ferner kann in ein einer Ausführungsform die Kolbenanordnung eine Drehkopplungsvorrichtung aufweisen, um eine Drehung der ersten Kolbenstange um die eigene Achse auf eine Drehung der zweiten Kolbenstange um die eigene Achse zu übertragen, wobei insbesondere die Drehkopplungsvorrichtung ein Getrieben, ein Riemen und/oder eine Kette ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die erste und/oder zweite Kolbenstange mindestens einen Fluidkanal für ein Brennstoff-Luft-Gemisch und/oder Abgas aufweisen, wobei insbesondere die erste und/oder zweite Kolbenstange für jede brennraumseitige Stirnfläche eines an der jeweiligen Kolbenstange befestigten mindestens einen ersten und/oder mindestens einen zweiten Kolbens mindestens einen Fluidkanal für ein Brennstoff-Luft-Gemisch und/oder Abgas aufweist.
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Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der mindestens eine Fluidkanal derart angeordnet ist, dass er zumindest zeitweilig eine Fluidverbindung zwischen einem Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrkanal und einem an die brennraumseitige Oberfläche angrenzenden Brennraum des mindestens einen ersten und/oder zweiten Kolbens und/oder zwischen einem Abgaskanal und einem an die brennraumseitige Oberfläche angrenzenden Brennraum des mindestens einen ersten und/oder zweiten Kolbens herstellt.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass der mindestens eine Fluidkanal sich in Axialrichtung erstreckt, insbesondere geradlinig.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der mindestens eine Fluidkanal eine Nut sein. In einer anderen Ausführungsform kann der Fluidkanal eine Bohrung sein.
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In einer Ausführungsform kann der mindestens eine erste und/oder mindestens eine zweite Kolben jeweils in einem Arbeitsraum angeordnet sein, und die Brennkraftmaschine mindestens eine Führungshülse aufweisen, wobei mindestens ein Arbeitsraum in Radialrichtung durch die mindestens eine Führungshülse begrenzt ist, an der der jeweilige Kolben sich entlangbewegt, wobei die mindestens eine Führungshülse mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung für mindestens einen Brennraum, insbesondere für jeden Brennraum, aufweist.
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Dabei kann in einer Ausführungsform in Radialrichtung um die mindestens eine Führungshülse mindestens eine Steuerhülse angeordnet ist, wobei die mindestens eine Steuerhülse mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung für mindestens einen Brennraum, insbesondere für jeden Brennraum, aufweist, wobei die Brennkraftmaschine derart eingerichtet ist, dass sich für mindestens einen Brennraum die mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung der Steuerhülse und die mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung der Führungshülse überscheiden können.
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In einer Ausführungsform sind die mindestens eine Führungshülse und/oder die mindestens eine Steuerhülse um die Längsachse rotierbar. Dabei können die Rotationsbewegung(en) synchronisiert und/oder gekoppelt werden, insbesondere mit der Drehung der ersten und/oder zweiten Kolbenstange.
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Dabei kann in einer Ausführungsform die mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung der mindestens einen Führungshülse und der mindestens einen Steuerhülse derart angeordnet sein, dass im Betrieb mindestens zwei Brennräume zur gleichen Zeit sich in unterschiedlichen Takten befinden.
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In einer Ausführungsform ist bzw. sind die mindestens eine Führungshülse und/oder die mindestens eine Steuerhülse derart mit der ersten und/oder der zweiten Kolbenstange gekoppelt, um eine Drehung der ersten Kolbenstange und/oder der zweiten Kolbenstange um die eigene Achse auf eine Drehung mindestens einen Führungshülse und/oder der mindestens einen Steuerhülse um die eigene Achse zu übertragen.
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Beispielsweise kann ein einer Ausführungsform die mindestens eine Führungshülse und/oder die mindestens eine Steuerhülse in Axialrichtung bewegbar sein.
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In einer Ausführungsform umfasst die Brennkraftmaschine mindestens einen Abgaskanal und mindestens einen Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrkanal für jeden Brennraum, wobei insbesondere der mindestens eine Abgaskanal und/oder der mindestens eine Brennstoff-Gemisch-Zufuhrkanal durch die Kolbenstange begrenzt ist bzw. sind.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass der mindestens eine Fluidkanal, das Motorgehäuse, der mindestens eine Abgaskanal der mindestens eine Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrkanal, die mindestens eine Führungshülse und/oder mindestens eine Steuerhülse derart ausgebildet sind, dass der mindestens eine Fluidkanal und/oder die mindestens eine Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung im Betrieb der Brennkraftmaschine zeitweilig eine erste Fluidverbindung zwischen dem Abgaskanal und dem Brennraum und zeitweilig eine zweite Fluidverbindung zwischen dem Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrkanal und dem Brennraum herstellt.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine derart eingerichtet ist, dass die erste und zweite Fluidverbindung gleichzeitig oder zeitlich hintereinander herstellbar sind. Beispielsweise kann der Fluidkanal derart geformt sein, dass er gleichzeitig mit Abgaskanal und dem Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhrkanal in Fluidverbindung steht.
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Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der gleiche Fluidkanal und/oder die gleiche Abgas- und/oder Brennstoff-Luft-Gemisch-Zufuhröffnung die erste Fluidverbindung und die zweite Fluidverbindung herstellt.
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In einer Ausführungsform kann die erste Fluidverbindung bei mindestens einem ersten Drehwinkelbereich einer Drehung der Kolbenanordnung und die zweite Fluidverbindung bei mindestens einem zweiten Drehwinkelbereich einer Drehung der Kolbenanordnung hergestellt werden, wobei der mindestens eine erste Drehwinkelbereich und der mindestens eine zweite Drehwinkelbereich sich nicht überschneiden.
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Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine eine Viertakt-Brennkraftmaschine ist.
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In einer Ausführungsform kann die Brennkraftmaschine mindestens vier Brennräume und mindestens zwei Kolben umfassen, wobei die Fluidkanäle, die mindestens eine Führungshülse und/oder die mindestens eine Steuerhülse, derart ausgebildet sind, dass im Betrieb gleichzeitig jeder Takt mindestens einmal auftritt.
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Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass, wobei die zusammenwirkenden Führungselemente derart ausgebildet sind, dass im Betrieb eine vollständige Drehung der Kolbenanordnung nach vier Takten oder einem vielfachen von vier Takten erreicht wird.
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In einer Ausführungsform kann die mindestens eine brennraumseitigen Stirnfläche des mindestens einen Kolbens derart ausgebildet sein und zusammenwirken, dass im ordnungsgemäßen Betrieb eine vollständige Drehung der Kolbenanordnung nach vier Takten oder einem vielfachen von vier Takten erreicht wird.
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Typischerweise ist ein ordnungsgemäßer Betrieb ein Betrieb bei dem keine Fehlzündung auftritt oder der Brennkraftmaschine gestartet wird, so dass die Brennkraftmaschine gleichmäßig läuft.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 eine schematischen Seitenansicht einer Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftmaschine;
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2a bis 2d zeigen einen schematischen Querschnitt an verschiedenen Zeitpunkten einer Ausführungsform einer Freikolbenmaschine;
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3 zeigt eine Führung zur Steuerung einer Freikolben-Brennkraftmaschine;
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Kolbens einer Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftmaschine;
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftmaschine;
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6a zeigt eine Ausführungsform einer abgewickelten Führungshülse für die Freikolben-Brennkraftmaschine;
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6b zeigt eine Ausführungsform einer abgewickelten Steuerhülse für die Freikolben-Brennkraftmaschine;
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7 zeigt einen schematischen Seitenquerschnittsansicht einer Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftmaschine; und
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8 zeigt ein schematisches Steuergetriebe der Freikolben-Brennkraftmaschine aus 7.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Freikolben-Brennkraftmaschine 1, die eine erste Arbeitskammer 10 in einem ersten Zylinder 11 und eine zweite Arbeitskammer 20 in einem zweiten Zylinder 21 umfasst. In der ersten Arbeitskammer 10 ist ein erster Kolben 12 angeordnet, der die erste Arbeitskammer 10 in einen ersten Brennraum 14a und einen zweiten Brennraum 14b zu beiden Seiten des Kolbens 12 aufteilt. Ebenfalls ist in der zweiten Arbeitskammer 20 ein zweiter Kolben 22 angeordnet, der die zweite Arbeitskammer in einen ersten Brennraum 24a und einen zweiten Brennraum 24b aufteilt, die zu beiden Seiten des zweiten Kolbens 22 angeordnet sind.
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Der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 22 sind über eine Kolbenstange 30 in Axialrichtung der Kolben 12, 22 miteinander verbunden. Somit haben die Kolbenstange 30 und die Kolben 12, 22 eine gemeinsame Längsachse X. Die Kolben können sich in Axialrichtung in der jeweiligen Arbeitskammer 10, 20 hin- und herbewegen. Wie im Folgenden erläutert wird, werden die Kolbenstange mit den Kolben 12, 22 durch die Verbrennung von Kraftstoff in den jeweiligen Brennräumen 14a, 14b, 24a, 24b bewegt. Zudem sind der erste Kolben 12 und der zweite Kolben 22 sowie die Arbeitskammern 10, 20 und die Zylinder 11, 21 kreiszylindrisch ausgeführt. Der erste Kolben 12 ist zudem radial gegen die Wand der ersten Arbeitskammer 10 so abgedichtet, dass stark expandierende Gase aus dem ersten Brennraum im Wesentlichen nicht in den zweiten Brennraum gelangen können und andersherum. Der zweite Kolben 22 und die zweite Arbeitskammer 20 sind entsprechend ausgeführt.
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Die Brennkraftmaschine aus 1 weist für die jeweiligen Brennräume 14a, 14b, 24a, 24b einen Kraftstoffgemischzufuhrkanal 16a für den ersten Brennraum 14a, einen zweiten Kraftstoffgemischzufuhrkanal 16b für den zweiten Brennraum 14b des ersten Zylinders 11 einen dritten Kraftstoffgemischzufuhrkanal 26a für den ersten Brennraum 24a des zweiten Zylinders 21 und einen vierten Kraftstoffgemischzufuhrkanal 26b für den zweiten Brennraum 24b des zweiten Zylinders 21. In einer anderen Ausführungsform können beispielsweise der zweite Kraftstoffgemischzufuhrkanal 16b und der dritte Kraftstoffgemischzufuhrkanal 26a einen gemeinsamen Kanal bilden. Radial gegenüberliegend von den jeweiligen Kraftstoffgemischzufuhrkanälen sind Abgasabführkanäle 18a, 18b, 28a, 28b angeordnet, die jeweils das Abgas von dem ersten Brennraum 14a des ersten Zylinders 11, des zweiten Brennraums 14b des ersten Zylinders 11, des ersten Brennraums 24a des zweiten Zylinders 21, und des zweiten Brennraums 24b des zweiten Zylinders 21 abführen. Dabei können der zweite Abgasabführkanal 18b und der Abgasabführkanal 28a als ein gemeinsamer Abgasabführkanal ausgestaltet werden. In 1 ist jeweils nur ein Abschnitt der Abgasabführkanäle 18a, 18b, 28a, 28b zu sehen.
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In einer Ausführungsform sind die Kraftstoffgemischzufuhrkanäle 16a, 16b, 26a, 26b von den Abgasabführkanälen 18a, 18b, 28a, 28b durch die Kolbenstange 30 getrennt, wie es im Detail in den 2a bis 2d zu sehen sein wird.
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Die Kolbenstange 30 weist axial angrenzend an den Kolben 12, 22 Vertiefungen bzw. Fluidverbindungskanäle 32a, 32b, 32c, 32d auf, die sich in Längsrichtung, insbesondere parallel zur Längsachse X, erstrecken, um eine Fluidverbindung zwischen dem jeweiligen Kraftstoffgemischzufuhrkanal und dem jeweiligen Brennraum 14a, 14b, 24a, 24b oder zwischen dem jeweiligen Brennraum 14a, 14b, 24a, 24b und dem Abgasabführkanal 18a, 18b, 28a, 28b herzustellen. Dabei wird die Fluidverbindung nur jeweils in einem bestimmten Rotationswinkelbereich der Kolbenstange hergestellt. Ferner gibt es Rotationswinkelbereich, bei denen die Fluidverbindungskanäle 32a, 32b, 32c, 32d sowohl gegenüber dem jeweiligen Kraftstoffgemischzufuhrkanal 16a, 16b, 26a, 26b und dem jeweiligen Abgasabführkanal 18a, 18b, 28a, 28b abgedichtet sind. Dies ist beispielsweise für die in der Zeichnung dargestellten Verbindungskanäle 32a und 32d der Fall, die durch eine Trennwand von den jeweiligen Kraftstoffgemischzufuhrkanälen 16a, 16b, 26a, 26b und den Abgasabführkanälen 18a, 18b, 28a, 28b separiert ist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine Viertaktbrennkraftmaschine, bei der sich die Kolbenstange in eine Drehbewegung versetzt wird, um eine Kraftstoffgemischzufuhr und eine Abgasabfuhr zu gewährleisten. Dabei dreht sich die Kolbenstange 30 in vier Takten einmal vollständig um ihre Längsachse X. Jeder Brennraum der Brennkraftmaschine aus 1 befindet sich jeweils in einem anderen Takt.
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Dies wird im Zusammenhang mit 2a bis 2d erläutert, die alle vier Takte von dem dritten Brennraum mit dem jeweiligen Fluidverbindungskanal 32c zeigen. In einem ersten Takt, der beispielsweise in Bezug auf den ersten Brennraum 24a des zweiten Zylinders 21 dargestellt wird, verbindet der Verbindungskanal 32c den dritten Kraftstoffgemischzufuhrkanal 26a mit dem ersten Brennraum 24a des zweiten Zylinders. Während des Ansaugens wird der Kolben 22 der zweiten Arbeitskammer 20 von einer ersten axialen Extremposition oder erster Totpunkt in eine zweite axiale Extremposition oder zweiter Totpunkt gebracht, wobei gleichzeitig der Kolben 22 sowie die Kolbenstange um ungefähr 90° Grad gedreht wird (2a). Anschließend wird die Kolbenstange sowie der Kolben von der zweiten axialen Extremposition wieder in die erste axiale Extremposition gefahren, wobei der Fluidverbindungskanal 32c sowohl gegenüber dem dritten Kraftstoffgemischzufuhrkanal 26a als auch gegenüber dem Abgasabführkanal 28a abgedichtet ist (2b). Dabei dreht sich der Kolben und die Kolbenstange 30 ungefähr um weitere 90° Grad in gleiche Richtung (linksherum in 2a bis 2b). Bei diesem Schritt wird das sich in dem ersten Brennraum 24a des zweiten Zylinders 21 befindliche Kraftstoffgemisch verdichtet. Anschließend wird das Kraftstoffgemisch gezündet, sodass der Kolben 22 wieder von seiner ersten axialen Extremposition in seine zweite axiale Extremposition bewegt wird, so dass sich der Brennraum vergrößert, wobei sowohl die Kolbenstange als auch der Kolben wiederum eine Vierteldrehung durchführen (2c). Sobald der Motor wieder an seiner zweiten axialen Extremposition angelangt ist, bewegt er sich wieder in die erste axiale Extremposition durch eine Zündung eines Kraftstoffluftgemischs in einem anderen Brennraum, wobei der Verbindungskanal 32c nunmehr während dieser Bewegung mit dem Abgasabführkanal in Verbindung steht, sodass das verbrannte Kraftstoffgemisch aus dem ersten Brennraum 24a des zweiten Zylinders in den dritten Abgasabführkanal gedrückt wird (2d). Anschließend beginnt der Prozess von vorne.
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Die Brennkraftmaschine in 1 weist vier Brennräume auf, die jeweils sich in einem andern Takt des Viertakts befinden. So wird das sich im zweiten Brennraum 24b des zweiten Zylinders 21 befindliche Kraftstoffgemisch verdichtet, das verdichtete Kraftstoffgemisch im ersten Brennraum 14a des ersten Zylinders 11 gerade gezündet und das verbrannte Kraftstoffgemisch im zweiten Brennraum 14b des ersten Zylinders 11 gerade ausgeworfen.
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Die Rotation ermöglicht in einer Ausführungsform des Freikolbenmotors als eine Viertakt-Brennkraftmaschine. Hierzu wird die Kolbenstange 30, wie bereits oben beschrieben, an einigen Stellen radial einseitig ausgefräst beziehungsweise verjüngt, um in einem der zwei Totpunkten, die den ersten und zweiten axialen Extrempositionen entsprechen, die Frischluftzufuhr verschließt. Diese Fräsung trifft im Gehäuse auf entsprechende Bohrung, die einen Einlass, beziehungsweise einen Kraftstoffgemischzufuhrkanal, und einen Auslass beziehungsweise einen Abgasabführkanal, darstellen. Aus der Rotation ergeben sich daher folgende Zustände:
- 1. Unterer Totpunkt beziehungsweise erster axialer Extremposition der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange: In dem Fall überlappt die Fräsung beziehungsweise eine der Fluidverbindungskanäle 32a, 32b, 32c, 32d, auf der einen Seite mit der Frischgasöffnung im Gehäuse und mündet auf der anderen Seite in den Brennraum.
- 2. Verdichtungs- und Arbeitstakt: Die Fräsung beziehungsweise der Verbindungskanal wird durch das Gehäuse verschlossen gegen Ende des Arbeitstaktes verbindet die Fräsung den Brennraum mit dem Auslass.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Fräsung beziehungsweise der Verbindungskanal durch eine diagonal durch die Kolbenstange verlaufende Bohrung ersetzt werden, allerdings können dann keine Fluide mehr durch die Kolbenstange beziehungsweise den Kolben in Längsrichtung durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform kann der Kolben durchbohrt oder einseitig gefräst sein, um im Falle eines Viertaktes einen Gasaustausch zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Gasaustausch mittels Schlitzen durch die Zylinderwand, insbesondere bei einem Viertakter, erfolgen.
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Um die Kolben 12, 22 und die Kolbenstange 30 beim Start und/oder bei einer Fehlzündung in eine Drehbewegung zu versetzen, sind eine Nut 40 mit einem Boden 42 und gegenüberliegenden Wänden 44a und 44b in dem Motorgehäuse angeordnet. In die Nut 40 greifen ein oder mehrere radiale Vorsprünge 46 auf der Kolbenstange 30 ein. In 3 ist eine abgewickelte Darstellung der Nut 40 dargestellt. Dabei ist die Umfangsrichtung horizontal dargestellt und die axiale Richtung vertikal. Die in Umfangsrichtung abgewickelte Nut 40 zeigt im Groben die verschiedenen Positionen der Kolbenstange 30 und der Kolben 12, 22 bei einer vollen Umdrehung um deren Längsachse X dar. So bewegt sich die Kolbenstange von einer ersten axialen Extremposition (oberer Totpunkt, OT) in eine zweite axiale Extremposition (unterer Totpunkt, UT), und anschließend wieder zu der ersten axialen Extremposition.
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In 3 sind ferner zwei radiale Vorsprünge 46 gezeigt, die dazu dienen, im Falle einer Fehlzündung oder beim Start die Kolbenstange 30 und die Kolben 12, 22 in Drehung zu versetzen. Dazu stoßen die radialen Vorsprünge 46 bei einer axialen Hin- und Herbewegung, also in 3 einer vertikalen Hin- und Herbewegung, der Kolbenstange 30 gegen eine der gegenüberliegenden Wände 44a, 44b. Im normalen Betrieb, dass heißt sofern keine Fehlzündung oder kein Start des Freikolbenmotors stattfindet, wird die Kolbenstange 30 mit den Kolben 12, 22 anderweitig in Drehung versetzt, wie anschließend mit Bezug auf 4 erläutert wird. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Wänden 44a und 44b der Nut 40 ist jedoch so groß gewählt, dass im normalen Betrieb, also nicht beim Start und nicht bei einer Fehlzündung, der radiale Vorsprung auf der Kolbenstange im Wesentlichen die gegenüberliegenden Wände 44a, 44b nicht berührt und sich ungefähr auf einer idealisierten Laufbahn ungefähr in der Mitte zwischen den Wänden 44a, 44b bewegt. Beispielsweise kann die Nut 40 in eine Hülse 48 gefräst sein, die die Kolbenstange umgibt, wobei der radiale Vorsprung 46 seitlich an der Kolbenstange 30 angeordnet ist. In diesem Fall erfolgt eine Führung beim Start der Freikolbenbrennkraftmaschine mechanisch.
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In einer anderen Ausführungsform können die Führung der Kolbenstange und das Versetzen derselben in eine Drehbewegung um deren Längsachse X elektromagnetisch erfolgen. In diesem Fall sind in der Kolbenstange beispielsweise Permanentmagneten angeordnet und in dem die Kolbenstange 30 umgebenen Raum können entsprechende Wicklungen zur elektrischen Ansteuerung angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Führung der Kolbenstange induktiv erfolgen.
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Aufgrund der Führung wird die Kolbenstange bei jedem Hub in Rotation versetzt. Gleichzeitig bewegt sich die Kolbenstange damit durch fest definierte obere und untere Totpunkte, die die Steuerung wesentlich vereinfachen können. Durch das kinetische Moment der Rotation folgt die Kolbenstange auch bei einer Fehlzündung der Führung und der Motor bleibt nicht unmittelbar stehen.
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Grundsätzlich ist die Brennkraftmaschine als Zweitakter oder Viertakter realisierbar, wobei wie jede Variante ihre jeweiligen Vor- und Nachteile hat. Bei einem Zweitakter kann die Bauweise kompakt realisiert werden und der Motor hat ein geringes spezifisches Leistungsgewicht. Andererseits hat die Viertakt-Brennkraftmaschine den Vorteil, dass sie ein besseren Gasaustausch und damit eine geringere Abgasbelastung hervorruft und einen geringeren Verbrauch hat. Im einfachsten Fall verteilen sich die vier Takte auf eine 360° Grad Drehung der Kolbenstange. Allerdings sind auch 8, 12, 16 Takte usw. je 360° Grad Drehung denkbar.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Kolbens gemäß der Ausführungsform aus 1. Der Kolben 12 weist eine erste brennraumseitige Stirnfläche 122a auf, die dem ersten Brennraum 14a zugewandt ist, und eine zweite brennraumseitige radiale Stirnfläche 122b auf, die dem zweiten Brennraum 14b zugewandt ist. Ferner weist der Kolben 12 eine Mantelfläche 124 auf, die eingerichtet ist, um mit der Arbeitsraumwand eines Zylinders 11 zusammenzuwirken, sodass Gase aus dem ersten Brennraum 14a nicht in den zweiten Brennraum 14b gelangen können. Die erste und die zweite brennraumseitigen axialen Stirnflächen 122a, 122b weisen jeweils eine erste und zweite radiale Referenzebene 126a und 126b auf, die orthogonal zur Längsachse X des Kolbens 12 bzw. der Kolbenstange 30 angeordnet ist. Die radialen Referenzebenen 126a, 126b sind jeweils derart angeordnet, dass sie die maximale Erhebung in Axialrichtung jeweils umfassen. Dabei werden die Erhebungen jeweils in Brennraumrichtung der jeweiligen brennraumseitigen Stirnfläche 122a, 122b betrachtet. Die brennraumseitigen Stirnflächen weisen von den radialen Referenzebenen 126a, 126b jeweils sägezahnmäßige Vertiefungen 128a, 128b auf, die sich radial geradlinig oder sternförmig von der Längsachse aus zu den Umfangsrändern des Kolbens 12 erstrecken. Dabei sind die sägezahnmäßigen Vertiefungen 128a, 128b so geformt, dass der Kolben und die Kolbenstange 30 bei einem auftreffen von Gas, beispielsweise beim Arbeitstakt, beim Auswurftakt, und/oder beim Verdichtungstakt, in Rotation versetzt werden. Dadurch wird die Rotation in Anlehnung an ein angeströmtes Turbinenrad erzeugt. Die Vertiefungen 128a, 128b sind in einer Ausführungsform derart abgestimmt, dass der Kolben 12 und die Kolbenstange 30 in eine gleichmäßige Rotation um deren Längsachse X versetzt werden. Insbesondere im Falle einer Freikolben-Viertakt-Brennkraftmaschine mit vier Brennräumen kann eine gleichmäßige Drehung um die Längsachse der Kolbenstange und der Kolben 12, 22 erzeugt werden.
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5 zeigt einen schematischen axialen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Freikolbenbrennkraftmaschine 100. In 5 ist ein Brennraum gezeigt. In diesem Brennraum bewegt sich ein Kolben 102, der eine Vielzahl von Vertiefungen 104 aufweist, die derart geformt sind, um den Kolben 102 bei auftreffen eines Gases in Drehung um eine Kolbenstange 106 zu versetzen. Der Brennraum ist von einer Führungshülse oder Zylinderwand 108 begrenzt. In eine Ausführungsform ist die Führungshülse 108 stationär. Die Führungshülse 108 und der Außenumfang des zylindrischen Kolbens 102 sind derart aneinander angepasst, dass der in 5 gezeigte Brennraum gegenüber einem weiteren Brennraum, der ebenfalls durch den Kolben 102 abgegrenzt ist, abgedichtet wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Führungshülse auch drehbar gelagert sein. Dann kann die Führungshülse auch gegenüber dem Motorgehäuse in Axialrichtung abgedichtet sein. Die Führungshülse weist mindestens einen Ein- oder Auslass 110 für ein Fluid, beispielsweise Abgas oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch auf. Um die erste Führungshülse 108 ist eine Steuerhülse oder Maske 112 angeordnet, insbesondere konzentrisch, wobei die Steuerhülse und die Führungshülse derart geformt sind, dass im Wesentlichen kein Fluid zwischen den beiden Hülsenwände, insbesondere in Axialrichtung, entlang fließen kann. Die Steuerhülse 112 weist mindestens eine Steueröffnung 114 für das Fluid auf, beispielsweise Abgas oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch. Die Steuerhülse kann in einer Ausführungsform stationär sein, wenn die Führungshülse rotierbar gelagert ist, oder in einer anderen Ausführungsform kann die Steuerhülse um ihre eigene Achse rotierbar gelagert sein und die Führungshülse 108 ortsfest. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl die Führungshülse aus auch die Steuerhülse drehbar sein.
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Dabei wird die Führungshülse und/oder die Steuerhülse derart um ihre Längsachsen gedreht, dass jeweils beim ersten und beim vierten Takt eines Viertaktmotors die beiden Öffnungen 110, 114 sich zumindest abschnittsweise überschneiden, sodass ein Ansaugen eines Brennstoff-Luft-Gemisches oder ein Auswurf von Abgas durchgeführt werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die Führungshülse und/oder die Steuerhülse mehr als jeweils nur eine Öffnung pro Brennkammer aufweisen, beispielsweise zwei oder mehr Öffnungen pro Brennkammer aufweisen, wobei insbesondere die Geschwindigkeit, mit der sich die jeweils drehbare Hülse rotiert, an die Taktzahlen und die Geschwindigkeit des Freikolbenmotors angepasst ist. In einer weiteren Ausführungsform können sowohl die Führungshülse 108 als auch die Steuerhülse 112 drehbar um ihre Längsachse gelagert sein. In einer Ausführungsform kann dabei die Führungshülse und/oder die Steuerhülse durch den Kolben beziehungsweise allen Kolben der Freikolbenbrennkraftmaschine angetrieben werden. Dies kann in einer Ausführungsform über ein Getriebe geschehen. In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise der Kolben 102 eine Mitnahmenut oder einen Vorsprung aufweisen, der in einen entsprechenden Vorsprung oder Nut der Führungshülse 108 eingreift. Beispielsweise können die gleiche Öffnungen im der Führungs- und/oder Steuerhülse für Abgas und ein Brennstoff-Luft-Gemisch verwendet werden.
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6a und 6b zeigen jeweils in abgewickelter Darstellung eine Führungshülse 108 (6a) und eine Steuerhülse 112 (6b). Dabei sind jeweils eine Öffnung 110a, 110b, 110c, 110d für jeweils einer der vier Brennkammern des Freikolbenmotors in der jeweiligen Zündreihenfolge auf der Führungshülse 108 angeordnet. In 6b ist die Steuerhülse 112 mit den jeweiligen Steueröffnungen 114a, 114b, 114c, 114d gezeigt, wobei jeweils eine Steueröffnung 114a, 114b, 114c, 114d mit jeweils einer Öffnung 110a, 110b, 110c, 110d in der Führungshülse 108 zusammenwirkt. Beispielsweise können in einer Ausführungsform die Öffnungen der Führungshülse alle am gleichen Winkel in Bezug auf die Achse X angeordnet sein und die Öffnungen der Steuerhülse für jede Brennkammer einen anderen Winkel aufweisen und andersherum. Beispielsweise können die Öffnungen der Führungshülse einen Regelmäßigen Winkelabstand aufweisen. Über den Winkelabstand können der Zeitpunkt und/oder über die Größe und/oder Form der Öffnungen auch die Menge des Abgases oder des Brennstoff-Luft-Gemisches geregelt werden, die in eine Brennkammer ein- bzw. ausströmen.
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Im Falle einer stationären Steuerhülse können beispielsweise die Abgas- oder Zufuhrkanäle direkt fest mit den Führungsöffnungen 114a, 114b, 114c, 114d verbunden sein. In einer Ausführungsform können die Führungshülse und/oder die Steuerhülse axial verschiebbar sein, so dass darüber der Durchlassquerschnitt für das Abgas und/oder das Brennstoff-Luft-Gemisch variiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform können die Öffnungen nicht rechteckig sonder gekrümmte Ränder aufweisen, so dass, beispielsweise in Kombination mit einer axialen Verschiebung der Steuerhülse und/oder der Führungshülse, der Durchlassquerschnitt gesteuert werden kann.
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7 zeigt eine Seitenschnittquerschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Freikolben-Brennkraftmaschine 200. Die Freikolben-Brennkraftmaschine weist einen ersten Abschnitt 202 und einen zweiten Abschnitt 204 auf. Der erste Abschnitt 202 umfasst eine erste Arbeitskammer 210 und der zweite Abschnitt 204 umfasst eine zweite Arbeitskammer 220, wobei die Arbeitkammern jeweils durch einen Kolben 212, 222 in einen ersten Brennraum 214a, 224a und einen zweiten Brennraum 214b, 224b aufgeteilt werden. Der erste Abschnitt 202 weist eine erste Kolbenstange 216 auf, an die der erste Kolben 212 rotationsfest befestigt ist und der zweite Abschnitt 204 weist eine zweite Kolbenstange 226 auf, an der der zweite Kolben 222 drehfest befestigt ist. Im Betrieb bewegen sich die Kolben jeweils synchron hin- und her. Beispielsweise kann die erste Kolbenstange mit der zweiten Kolbenstange verbunden, um eine Bewegung der ersten Kolbenstange in Axialrichtung auf die zweite Kolbenstange zu übertragen und andersherum.
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In einer Ausführungsform wird die Drehbewegung über ein Getriebe 230, das eine Drehbewegung der ersten Kolbenstange 216 auf eine Drehbewegung der zweiten Kolbenstange 226 überträgt oder eine Drehbewegung von der zweiten Kolbenstange auf eine Drehbewegung der ersten Kolbenstange 216 überträgt. Folglich kann die Freikolben-Brennkraftmaschine 200 kompakt angeordnet werden. Beispielsweise weist das Getriebe 230 drei Zahnräder 232, 234 und 236 auf, wobei das erste Zahnrad 232 an der ersten Kolbenstange und das dritte Zahnrad 236 an der zweiten Kolbenstange befestigt sind und das zweite Zahnrad 234 eine Übertragung der Kraft vom ersten Zahnrad 232 auf das dritte Zahnrad 236 bewerkstelligt. In anderen Ausführungsformen können auch andere Drehkraftübertragungsmechanismen verwendet werden, beispielsweise ein Riemen, eine Kette, oder dergleichen.
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In 8 ist eine Seitenansicht des Getriebes zu sehen, mit dem ersten Zahnrad 232, dem zweiten Zahnrad 234 und dem dritten Zahnrad 236. In einer weiteren Ausführungsform weist die Freikolben-Brennkraftmaschine nur zwei Zahnräder auf, die jeweils an der ersten Kolbenstange 216 und der zweiten Kolbenstange 226 befestigt sind. Dann laufen die ersten Kolbenstange und die zweite Kolbenstange gegenläufig.
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Bei den oben dargestellten Ausführungsformen bleiben alle gattungsbedingten Vorteile einer Freikolbenmaschine erhalten. Bestehende und etablierte Technologien, wie beispielsweise Direkteinspritzung oder Turbolader können in anderen Ausführungsformen ohne besonderen konstruktiven Aufwand eingesetzt werden. Der Antrieb von Nebenaggregaten, beispielsweise einer Lichtmaschine, ist ebenfalls einfach möglich.
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Der Motor kann vorzugsweise in einem (Voll-)Hybridsystem eingesetzt werden. Hierzu kann ein Lineargenerator an der Kolbenstange befestigt werden oder beispielsweise zwischen den Kolben 12, 22 gemäß der Ausführungsform aus 1 angeordnet werden. Der somit erzeugte Strom kann dann Elektromotoren eines Kraftfahrzeugs antreiben.
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In einer anderen Ausführungsform kann die Rotation auch mittels einer einfachen Kupplung zu einem Antrieb verwendet werden.
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In diesen Fällen sind folgende Kombinationen denkbar: im Kraftfahrzeugbereich kann der Antrieb der Räder im Falle eines Hybrids durch Elektromotoren bewerkstelligt werden. Das Gleiche gilt für Lokomotiven. Ebenfalls können bei Schiffen die Schiffsschraube durch Elektromotoren angetrieben werden, wie es beispielsweise bei sogenannten „Pods” bereits üblich ist. Auch im Bereich von Flugzeugen kann ein solcher Hybridantrieb verwendet werden, wobei Elektromotoren einen Propeller antreiben.
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Im Falle eines mechanischen Antriebs, wo die Drehung der Kolbenstange 30 direkt verwendet wird, wird beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug die Kolbenstange direkt an ein Getriebe gekoppelt. Bei Schiffen könnte beispielsweise die Kolbenstange an eine Welle der Schraube gekoppelt werden. Im Beispiel von Flugzeugen könnte die Kolbenstange an einen Propeller gekoppelt werden.
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Die in dieser vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
