-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der provisorischen US-Anmeldung mit der Nr. 61/41,340, die am 4. November 2010 eingereicht wurde und hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Diese Offenbarung betrifft Lineargeneratoren, die einander gegenüberliegende Freikolben verwenden.
-
HINTERGRUND
-
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit. Folglich sind diese Aussagen nicht dazu gedacht, eine Anerkennung des Standes der Technik zu bilden.
-
Ein Generator ist eine Vorrichtung, die eine mechanische Eingabe in einen elektrischen Strom überführt. Zum Beispiel ist die Verwendung einer riemengetriebenen Welle bekannt, um eine Eingabe an den Generator bereitzustellen. Generatoren verwenden die Induktion, um Elektrizität zu erzeugen. Es ist beispielsweise bekannt, elektrischen Strom zu erzeugen, indem eine Relativbewegung zwischen Permanentmagneten und Wicklungen (d. h. Spulen) eines elektrisch leitfähigen Drahts zur Erzeugung von Strom verwendet wird. Verschiedene Anzahlen von Ausgestaltungen von Magneten und Wicklungen werden für unterschiedliche Auswirkungen auf den erzeugten Strom verwendet.
-
Ein beispielhafter Lineargenerator enthält einen stationären Zylinder und einen Schubkolben im Zylinder. Durch das Positionieren eines oder mehrerer Magnete entweder an einer Wand des Zylinders oder am Kolben und der Wicklungen an dem jeweils anderen aus Zylinderwand und Kolben erzeugt eine lineare Verschiebung der Kolben eine Induktion und einen resultierenden Stromfluss aus den Wicklungen.
-
Eine Kraftmaschine mit einander gegenüberliegenden Kolben enthält einen Brennraum, der zwischen zwei Kolben angeordnet ist. Wenn im Brennraum eine Verbrennung auftritt, werden die Kolben nach außen getrieben. Anschließend werden die Kolben in Vorbereitung auf das nächste Verbrennungsereignis zum Mittelpunkt der Vorrichtung hin zurückgestellt. Beispielhafte Ausführungsformen einer Kraftmaschine mit einander gegenüberliegenden Kolben umfassen Freikolbenkraftmaschinen, die keine an den Kolben angebrachte Kurbelwelle aufweisen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein Freikolben-Lineargenerator enthält einen Zylinder mit einem Paar Prellkammern, einem Paar Spülkammern, einem Paar einander gegenüberliegender Kolben und einem Brennraum, der zwischen den einander gegenüberliegenden Kolben angeordnet ist. Die Kolben liegen einander axial gegenüber und erzeugen einen elektrischen Strom, wenn beide Kolben linear verschoben werden. Jede der Prellkammern ist zwischen einem jeweiligen Kolben und einem jeweiligen Außenende des Zylinders angeordnet und enthält im Wesentlichen eingeschlossene Luft, die ausgestaltet ist, um den jeweiligen Kolben nach einer Verbrennung aus einer jeweiligen zweiten Position in eine jeweilige erste Position zurückzustellen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 eine Teilschnittansicht durch einen beispielhaften Freikolben-Lineargenerator gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt, der einander gegenüberliegende Kolben mit Prellkammern verwendet;
-
2 den Freikolben-Lineargenerator von 1 während eines ersten Takts der Kolben, die durch ein Verbrennungsereignis aus einer ersten Position zu einer zweiten Position hin getrieben werden, gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
-
3 den Freikolben-Lineargenerator von 1 während eines zweiten Takts der Kolben, die durch eine Rückstellkraft, welche durch eine Kompression innerhalb jeweiliger Prellkammern bereitgestellt wird, von einer zweiten Position in eine erste Position zurückgestellt werden, gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
-
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck der Begrenzung derselben gedacht ist, stellt 1 eine Teilschnittansicht durch einen beispielhaften Freikolben-Lineargenerator 100 (FPLA, FPLA von free piston linear alternator) dar, der einen Zylinder 120 enthält, der erste und zweite Prellkammern 400 bzw. 402, erste und zweite Spülkammern 201 bzw. 202, erste und zweite einander gegenüberliegende Kolben 301 bzw. 302 und einen Brennraum 160 enthält, der zwischen den einander gegenüberliegenden Kolben 301, 302 angeordnet ist. Die Kolben 301, 302 liegen einander axial gegenüber und sind ausgestaltet, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, wenn jeder Kolben 301, 302 linear verschoben wird. Jede der Prellkammern 400, 402 ist zwischen einem jeweiligen Kolben 301, 302, und einem jeweiligen geschlossenen Außenende 150, 152 des Zylinders 120 angeordnet. Die Prellkammern 400, 402 enthalten jeweils im Wesentlichen eingeschlossene Luft, die ausgestaltet ist, um den jeweiligen Kolben 301, 302 nach einem Verbrennungsereignis im Brennraum 160 aus einer zweiten Position (z. B. einem äußeren Totpunkt) in eine erste Position (z. B. einen inneren Totpunkt) zurückzustellen. Die Prellkammern 400, 402 können hier ferner als Gasfedern bezeichnet sein.
-
Das Verbrennungsereignis im Brennraum 160 tritt in einem Zweitaktzyklus auf und die lineare Verschiebung jedes Kolbens 301, 302 umfasst einen ersten Takt jedes Kolbens aus der ersten Position in die zweite Position, der durch das Verbrennungsereignis angetrieben wird, und einen zweiten Takt jedes Kolbens 301, 302 aus der zweiten Position in die erste Position in Vorbereitung für ein anschließendes Verbrennungsereignis. Der zweite Takt verwendet in den Prellkammern 400, 402 gespeicherte Energie, um jeden jeweiligen Kolben 301, 302 unter Zwang aus der zweiten Position in die erste Position zurückzustellen.
-
Mit Bezug auf 2 sind beide Kolben 301, 302 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beim Verschieben zu der zweiten Position hin während des ersten Takts dargestellt. Die durch ein Verbrennungsereignis angetriebenen Kolben 301, 302 werden zu der zweiten Position hin verschoben. Beide Kolben 301, 302 werden durch eine Verbrennungsantriebskraft 401 angetrieben, die aus dem Verbrennungsereignis resultiert. Die zweite Position der beiden Kolben 301, 302 entspricht einer äußeren Totpunktposition. Während des ersten Takts wird die im Wesentlichen eingeschlossene Luft in den beiden Prellkammern 400, 402 komprimiert, wenn beide Kolben aus der ersten Position angetrieben durch das Verbrennungsereignis in die zweite Position verschoben werden.
-
Mit Bezug auf 3 sind beide Kolben 301, 302 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wie sie während des zweiten Takts zu der ersten Position hin verschoben werden. Die Verschiebung oder Kolbenrückstellung aus der zweiten Position in die erste Position während des zweiten Takts wird durch eine Rückstellkraft 305 erreicht, die durch eine Kompression in den jeweiligen Prellkammern 400, 402 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird die komprimierte im Wesentlichen eingeschlossene Luft in beiden Prellkammern 400, 402 verwendet, um die Rückstellkraft 305 auf die jeweiligen Kolben 301, 302 auszuüben, um die jeweiligen Kolben 301, 302 aus der zweiten Position in die erste Position zurückzustellen. Beide Kolben 301, 302 können Freikolben sein und daher sind beide Kolben nicht mit einer Kurbelwelle verbunden. Die erste Position jedes Kolbens 301, 302 kann einer inneren Totpunktposition (d. h. einer ersten Position) entsprechen, wobei die innere Totpunktposition eine natürliche Ruheposition ist, wenn die im Wesentlichen eingeschlossene Luft in den jeweiligen Prellkammern 400, 402 nicht komprimiert ist.
-
Wie in 1 dargestellt ist, weist das Paar einander gegenüberliegender Kolben 301, 302 jeweils einen jeweiligen Kopfabschnitt 310, 320 und einen jeweiligen Gleitabschnitt 309, 319 auf. Der Brennraum ist zwischen proximalen Enden 311, 313 der jeweiligen Gleitabschnitte 309 bzw. 319 angeordnet. Die erste Spülkammer 201 ist zwischen einer Zylinderaußenwand 122, einer Außenwand 315 des Gleitabschnitts 309 des ersten Kolbens 301 und einem proximalen Ende 331 des Kopfabschnitts 310 des ersten Kolbens 301 angeordnet. Der Kopfabschnitt 310 des ersten Kolbens 301, der das proximale Ende 331 benachbart zu der ersten Spülkammer 201 und ein distales Ende 333 benachbart zu der ersten Prellkammer 400 aufweist, kann dadurch einen Sitz zwischen der ersten Spülkammer 201 und der ersten Prellkammer 400 bilden. Auf ähnliche Weise ist die zweite Spülkammer 202 zwischen der Zylinderaußenwand 122, einer Außenwand 317 des Gleitabschnitts 319 des zweiten Kolbens 302 und einem proximalen Ende 321 des Kopfabschnitts 320 des zweiten Kolbens 302 angeordnet. Der Kopfabschnitt 320 des zweiten Kolbens 302, der das proximale Ende 321 benachbart zu der zweiten Spülkammer 202 und ein distales Ende 323 benachbart zu der zweiten Prellkammer 402 aufweist, kann dadurch einen Sitz zwischen der zweiten Spülkammer 202 und der zweiten Prellkammer 402 bilden. Folglich ist jede Spülkammer 201, 202 zwischen einer Zylinderwand 122, einer jeweiligen Außenwand 315, 317 des jeweiligen Gleitabschnitts 309, 319 des jeweiligen Kolbens 301, 302 und einem jeweiligen proximalen Ende 331, 321 des jeweiligen Kopfabschnitts 310, 320 des jeweiligen Kolbens 301, 302 angeordnet. Der Kopfabschnitt 310, 320 des jeweiligen Kolbens 301, 302 weist das jeweilige proximale Ende 331, 321 benachbart zu der jeweiligen Spülkammer 201, 202 und ein jeweiliges distales Ende 333, 323 benachbart zu der jeweiligen Prellkammer 400, 402 auf, wodurch ein Sitz zwischen den jeweiligen Spülkammern 201, 202 und den jeweiligen Prellkammern 400, 402 ausgebildet wird.
-
Jede Spülkammer 201, 202 enthält mindestens einen jeweiligen Einlassanschluss 130, 131, 150, 151 zum Empfangen und Leiten von Ansaugluft in die jeweilige Spülkammer 201, 202. Jede Spülkammer 201, 202 enthält mindestens einen jeweiligen Auslassanschluss 140, 141, 160, 161 zum Liefern der Ansaugluft zur letztendlichen Verbrennung im Brennraum 160. Die Einlass- und Auslassanschlüsse können jeweils ein Absperrventil 4 enthalten, das ausgestaltet ist, um Ansaugluft in jede Spülkammer 201, 202 einzulassen, und ausgestaltet ist, um die Ansaugluft aus jeder Spülkammer 201, 202 heraus zu liefern.
-
Mit Bezug auf 1 und 2 saugt die erste Spülkammer 201 Ansaugluft 602 durch mindestens einen jeweiligen Spüleinlassanschluss 130 und/oder 131 ein, wenn der erste Kolben 301 während des ersten Takts aus der ersten Position in die zweite Position verschoben wird. Auf ähnliche Weise saugt die zweite Spülkammer 202 Ansaugluft 602 durch mindestens einen jeweiligen Spüleinlassanschluss 150 und/oder 151 ein, wenn der zweite Kolben 302 während des ersten Takts aus der ersten Position in die zweite Position verschoben wird. Bei einer Ausführungsform kann die in die erste und zweite Spülkammer 201, 202 eingesaugte Ansaugluft 602 nicht aufgeladene Umgebungsluft sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Ansaugluft 602 durch einen Turbolader oder einem Superlader aufgeladen sein, um den Druck der Ansaugluft zu erhöhen und einen Verstärkungsdruck für die Kraftmaschine bereitzustellen, wodurch die Ausgabe erhöht wird, die durch den FPLA 100 erreicht werden kann. Aufgeladene Ansaugluft kann durch einen Ladeluftkühler gekühlt werden, um die Dichte der Luft zu erhöhen.
-
Mit Bezug auf 1 und 3 liefert die erste Spülkammer 201 die eingesaugte Luft (z. B. gelieferte Ansaugluft 604) durch mindestens einen jeweiligen Spülauslassanschluss 140, 141 zur letztendlichen Verbrennung im Brennraum 160, wenn der erste Kolben 301 während des zweiten Takts aus der zweiten Position in die erste Position verschoben wird. Auf ähnliche Weise liefert die zweite Spülkammer 202 die eingesaugte Ansaugluft (z. B. gelieferte Ansaugluft 604) durch mindestens einen jeweiligen Spülauslassanschluss 160, 161 zur letztendlichen Verbrennung im Brennraum 160, wenn der zweite Kolben 302 während des zweiten Takts aus der zweiten Position in die erste Position verschoben wird.
-
Bei einer beispielhaften Ausführungsform mit Bezug auf 1–3 liefert oder pumpt jede Spülkammer 201, 202 die eingesaugte Ansaugluft durch mindestens einen Spülauslassanschluss 140, 141, 160, 161 in eine Vorratsbehälterkammer 540, wenn beide Kolben aus der zweiten Position in die erste Position verschoben werden. Die Vorratsbehälterkammer 540 koppelt fluidtechnisch beide Spülkammern 201, 202 mit mindestens einem Brennraumeinlassanschluss 560 des Brennraums 160. Die gelieferte Ansaugluft 604 in der Vorratsbehälterkammer 540 kann während einer Spülperiode, wenn sich die Kolben in der zweiten Position befinden, als aufgeladene Luft in den Brennraum 160 eingesaugt werden. Die Spülperiode liefert aufgeladene Luft aus jeder Spülkammer 201, 202 über die Vorwärtsbehälterkammer 540 an den Brennraum 160, wenn sich die Kolben 301, 302 in der zweiten Position befinden. Diese Offenbarung ist nicht auf eine einzige Vorwärtsbehälterkammer 540 beschränkt und könnte mehr als eine Vorratsbehälterkammer umfassen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der Vorratsbehälterkammer 540 ein Ansaugkrümmer verwendet werden, der beide Spülkammern 201, 202 mit dem Brennraum 160 fluidtechnisch koppelt.
-
Es ist zu verstehen, dass die Tätigkeit der Kolben 301, 302 für den Ausstoß von Abgasen und das Einsaugen von Ladeluft sorgt. Die Spülkonfiguration, bei der frische Ansaugluft 602 in die Spülkammern 201, 202 eingesaugt wird, kann ein Kühlen der hier beschriebenen Kolben 301, 302 ermöglichen, und dann wird die Luft anschließend über den Vorratsbehälter 540 als Ladeluft in den Brennraum 160 eingesaugt. Die Kolben 301, 302 können ausgestaltet sein, um die eingesaugte Ansaugluft 602 in der jeweiligen Spülkammer 201, 202 zu komprimieren, wenn die Kolben 301, 302 durch die Rückstellkraft 305 während des zweiten Takts zurückgestellt oder nach innen gedrückt werden, und wirken dadurch wie ein Superlader. Folglich und mit Bezug auf 3 liefert oder pumpt jede Spülkammer 201, 202 die Ansaugluft (z. B. die gelieferte Ansaugluft 604) durch mindestens einen jeweiligen Spülauslassanschluss 140, 141, 160, 161 in die Vorratsbehälterkammer 540. Es ist zu verstehen, dass sich die komprimierte gelieferte Ansaugluft 604 in der Vorwärtsbehälterkammer 540 bei einem Druck befindet, der höher als der Druck der Ansaugluft ist, die während des vorherigen ersten Takts in beide Spülkammern 201, 202 eingesaugt wurde.
-
Der FPLA 100 enthält ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzventile 600. Bei einer Kraftmaschine, die zum Betrieb durch Direkteinspritzung ausgestaltet ist, wird ein Kraftstoffeinspritzventil 600 durch ein Kraftstoffverteilerrohr oder eine andere Vorrichtung mit Kraftstoff unter hohem Druck versorgt. Bei einer Kraftmaschine mit Direkteinspritzung wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum 160 eingesprüht. Es sind andere Konfigurationen bekannt, bei denen Kraftstoff in einen oder mehrere Einlassanschlüsse eingespritzt und zusammen mit der Ansaugluft in den Brennraum 160 eingesaugt werden kann. Zum Beispiel kann Kraftstoff am Brennraumeinlassanschluss 560 oder an einer Stelle in der Vorratsbehälterkammer 540 eingespritzt werden. Kraftstoffeinspritzventile sind ausgestaltet, um den Kraftstoff einzusprühen oder zu zerstäuben, um ein effizientes Vermischen und eine effiziente Verbrennung des Kraftstoffs im Brennraum 160 zu ermöglichen.
-
Der Brennraum 160 enthält einen oder mehrere Einlassanschlüsse 560. Der Brennraum 160 enthält ferner einen oder mehrere Auslassanschlüsse 580. Allgemein leiten Einlassanschlüsse aufgeladene Luft (z. B. Ansaugluft), indem Kolben verschoben werden, um Ansaugluft in jeder Spülkammer 201, 202 aufzuladen, zu komprimieren und über die Vorratsbehälterkammer 540 in den Brennraum 160 zu liefern. Auslassanschlüsse empfangen nach einem Verbrennungsereignis Abgas aus dem Brennraum 160 und leiten das Abgas, z. B. durch einen Abgaskrümmer, in ein Abgassystem hinein.
-
Der in 1 dargestellte Brennraum 160 ist durch eine Innenwand 124 des Zylinders 120 und die jeweiligen proximalen Enden 311, 313 der Gleitabschnitte 309, 319 der jeweiligen Kolben 301, 303 definiert. Jeder der Gleitabschnitte 309, 319 kann einen jeweiligen Stopfenabschnitt enthalten, der an den jeweiligen proximalen Enden 311, 313 angeordnet ist, und der den Brennraum 160 vom restlichen Bereich im Zylinder 120 trennt. Mit anderen Worten wirkt jeder Stopfenabschnitt als Dichtungsfläche für Verbrennungsereignisse im Brennraum 160. Ansaugluft (z. B. Ladeluft) wird während der Spülperiode aus der Vorratsbehälterkammer 540 in den Brennraum 160 eingesaugt, wenn sich die Kolben 301, 302 in der zweiten Position befinden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird Kraftstoff in den Brennraum 160 eingespritzt. Alternativ kann Kraftstoff am Brennraumeinlassanschluss 560 oder an einer Stelle in der Vorratsbehälterkammer 540 eingespritzt werden. Anschließend wird die Kraftstoff-Luftladung komprimiert, indem die Kolben 301, 302 zurückgestellt werden, was durch die Rückstellkraft 305 bereitgestellt wird, die von der komprimierten im Wesentlichen eingeschlossenen Luft in jeder Prellkammer 400, 402 (d. h. 3) ausgeübt wird. Der FPLA 100 ist derart ausgestaltet, dass eine Verbrennung auftritt, wenn die Kraftstoff-Luftladung komprimiert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Leckverlust aus jedem Gleitabschnitt 309, 319 in die jeweilige Spülkammer 201, 202 oder die Vorratsbehälterkammer 540 gespült werden und anschließend in den Brennraum 160 eingesaugt werden.
-
Eine Anzahl von Verbrennungsmodi ist auf dem Gebiet bekannt und es ist vorgesehen, dass der FPLA 100 eine beliebige Anzahl von Verbrennungsmodi verwendet. Der FPLA kann ausgestaltet sein, um Dieselkraftstoff zur Verbrennung zu verwenden. Die Verbrennung von Dieselkraftstoff kann durch eine Kompressionszündung gesteuert werden, bei der die Kraftstoff-Luftladung bis zu einem Punkt komprimiert wird, an dem sich die Ladung ohne einen Zündfunken entzündet. Es ist bekannt, dass derartige Konfigurationen zusätzlich eine Glühkerze enthalten, um Hilfestellung bei Bedingungen zu geben, bei denen Temperaturen oder andere Faktoren Fehlzündungen oder eine Teilzündung der Ladung möglich machen. Außerdem ist bekannt, dass Dieselkraftmaschinen einen Selbstzündungsmodus mit vorgemischter Ladung (PCCI-Modus) verwenden, der ein hohes Verhältnis von Ladeluft zu Kraftstoff oder einen mageren Betrieb umfasst und die Kraftstoffsparsamkeit der Kraftmaschine erhöhen kann. Alternativ können andere Kraftstoffe und Kraftmaschinenkonfigurationen verwendet werden, die Benzin- und Ethanolmischkraftstoffe umfassen. Wie in 1 dargestellt ist, kann eine derartige Konfiguration ein Zündkerze 620 enthalten, um einen Zündfunken an einem speziellen Zeitpunkt bereitzustellen, um die Ladung zu zünden. Zudem sind Verbrennungsmodi bekannt, die einen Schichtladungs-Funkenzündungsmodus und einen homogenen Kompressionszündungsmodus (HCCI-Modus) umfassen. Ein Schichtladungs-Funkenzündungsmodus kann eine Konzentration von Kraftstoff in einem speziellen Abschnitt des Brennraums 160 in Verbindung mit einem zeitgesteuerten Zündfunken von der Zündkerze verwenden, um eine effiziente Verbrennung und Kraft an den Kolben bereitzustellen. Ein HCCI-Modus umfasst einen Betrieb mit einem hohen Verhältnis von Ladeluft zu Kraftstoff oder einen mageren Betrieb, der die Kraftstoffsparsamkeit der Kraftmaschine erhöhen kann. In der Kraftmaschine kann eine Anzahl von Kraftstoffen und Verbrennungsmodi verwendet werden. Diese Offenbarung soll nicht auf die speziellen hier bereitgestellten beispielhaften Ausführungsformen begrenzt sein.
-
Ein Abgassystem empfangt Abgas von dem oder den Abgasanschlüssen 580 als eine Abgasströmung. Die Abgasströmung ist durch eine Abgastemperatur, einen Abgasdruck und einen Abgasmassendurchsatz gekennzeichnet. Die Abgasströmung kann aus dem Abgassystem direkt in die Umgebungsluft ausgestoßen werden. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine oder können mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen verwendet werden, um Bestandteile zu behandeln, die in der Abgasströmung enthalten sein können, welche NOx, CO und Kohlenwasserstoffspuren enthalten. Die Abgasströmung kann zusätzlich in einer Turbomaschine verwendet werden, um einen Druck in der Abgasströmung in mechanische Energie umzuformen.
-
Wie vorstehend erwähnt wurde, erzeugt das Paar einander gegenüberliegender Kolben 301, 302 während jedem der ersten und zweiten Takte elektrischen Strom. Die Kolben 301, 302 des FPLA 100 enthalten ein erstes Element 7, das mit einem zweiten Element 9 interagiert, das an der Außenwand 122 des Zylinders 120 angeordnet ist, wobei eine Verschiebung jedes Kolbens zwischen der ersten Position und der zweiten Position den elektrischen Strom erzeugt. Es ist zu verstehen, dass eine Verschiebung jedes Kolbens zwischen der ersten Position und der zweiten Position auch eine Verschiebung zwischen der zweiten Position und der ersten Position umfasst, wobei der elektrische Strom erzeugt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist das erste Element 7 am Kopfabschnitt 310, 320 jedes Kolbens 301 bzw. 302 angeordnet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und wie in 1 dargestellt ist, enthält das erste Element 7 einen Permanentmagnet und das zweite Element 9 enthält eine Wicklung. Die Wicklungen enthalten Drähte, die aus den Wicklungen entspringen, um den elektrischen Strom an einen damit verbundenen Gleichrichter 700 zu liefern. Der Gleichrichter 700 ist mit einer Batterie 800 elektrisch gekoppelt, um den erzeugten Strom zu speichern. Durch Platzieren der Permanentmagnete an den Kolben 301, 302 brauchen keine Drähte an den Schubkolben angebracht werden. Bei einer alternativen Ausführungsform enthält das erste Element 7 die Wicklung und das zweite Element 9 enthält den Permanentmagnet. Mit anderen Worten enthält das erste Element 7 des FPLA 100 entweder einen Permanentmagnet oder eine Wicklung und das zweite Element 9 des FPLA 100 enthält das andere aus dem Permanentmagnet und der Wicklung.
-
Im Brennraum 160 wird Wärme erzeugt. Permanentmagnete können durch hohe Temperaturen nachteilig beeinflusst werden. Als Folge kann es vorteilhaft sein, den Kolben derart zu konfigurieren, dass die Permanentmagnete (d. h. das erste Element 7) keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Eine derartige Ausgestaltung kann eine Anzahl von Ausführungsformen annehmen. Zum Beispiel sind, wie in 1 dargestellt ist, die Kolben 301, 302 so angeordnet, dass sie mit der Massenluftströmung der Ansaugluft, während sie in die Spülkammern 201, 202 des FPLA 100 eingesaugt wird, interagieren und diese komprimieren. Die vorstehend erwähnte Spülkonfiguration kann die in jede Spülkammer 201, 202 eingesaugte Ansaugluftmassenströmung verwenden, um den jeweiligen Kolben 301, 302 und die Permanentmagnete (d. h. das erste Element 7) mit der Luftmassenströmung durch die Spülkammern 201, 202 zu kühlen. Merkmale des Kolbens können derart gewählt werden, dass ein Wärmetransfer von dem Kolben an die Ansaugluft maximiert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist die jeweilige Außenwand 316, 318 des jeweiligen Kopfabschnitts 310, 320 des jeweiligen Kolbens 301, 302 im Wesentlichen dünn, wodurch ein Wärmetransfer vom ersten Element 7 (z. B. dem Permanentmagnet) weg maximiert wird. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist jeder Kolben 301, 302 im Wesentlichen hohl, wodurch ein Wärmetransfer von dem ersten Element 7 weg maximiert wird und die Masse jedes Kolbens 301, 302 verringert wird. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Wärmetransfer durch jeden Kolben 301, 302 unter Verwendung einer Reihe von Rippen maximiert oder erleichtert werden, die mit den jeweiligen distalen Enden 321, 331 der jeweiligen Kolben 301, 302 gekoppelt sind und mit der eingesaugten Ansaugluft in jeder der Spülkammern 201, 202 interagieren. Ferner kann ein Kraftmaschinenkühlmittel oder können andere Fluide in einer Wärmetauscherkonstruktion verwendet werden, die für einen zusätzlichen Wärmetransfer vom FPLA 100 weg den FPLA 100 ummantelt. Ferner können Materialien für die Kolben so gewählt sein, dass sie die Wärmetransfereigenschaften jedes Kolbens 301, 302 beeinflussen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann Stahl verwendet werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann Aluminium verwendet werden. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann ein keramisches Material verwendet werden, das die Wärmemenge verringert, die vom Brennraum 160 an das erste Element 7 (z. B. Permanentmagnete) übertragen wird. Es versteht sich, dass eine Anzahl verschiedener Materialien verwendet werden kann und die Offenbarung soll nicht auf die speziellen beispielhaften Ausführungsformen, die hier offenbart sind, beschränkt sein.
-
Freikolben-Kraftmaschinen enthalten keine Querkräfte mit hoher Amplitude im Brennraum 160, wie es der Fall ist, wenn ein Kolben mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Als Folge können bestimmte Ausführungsformen von Kolbenkonstruktionen verwendet werden, die zwischen den Kolben 301, 302 und den Innen- und Außenzylinderwänden 124, 122 keine Dichtungen oder Kolbenringe brauchen. Derartige Ausführungsformen verringern zusätzlich die Wärme, die im FPLA erzeugt wird, und können die Temperaturen verringern, denen die Permanentmagnete ausgesetzt sind.
-
Die Kolbenmasse kann den Betrieb des FPLA 100 beeinflussen. Zum Beispiel können die Verbrennungskraft 401, die benötigt wird, um jeden der Kolben 301, 302 anzutreiben, und die Schwingungsfrequenzen in den Kolben 301, 302 durch die Kolbenmasse beeinflusst werden. Auf ähnliche Weise wird die Rückstellkraft 305, die benötigt wird, um jeden Kolben zum inneren Totpunkt (z. B. in die erste Position) zurückzustellen, durch die Kolbenmasse beeinflusst.
-
Wie vorstehend erwähnt wurde, wird der im FPLA erzeugte elektrische Strom in den Wicklungen (d. h. dem zweiten Element 9), die in 1 dargestellt sind, erzeugt. Die in 1 dargestellten Drähte übertragen den elektrischen Strom an den Gleichrichter 700. Der im FPLA 100 erzeugte elektrische Strom wird als Wechselstrom erzeugt. Der Gleichrichter 700 kann verwendet werden, um den elektrischen Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen und ihn dadurch als Energie in der Batterie 800 zu speichern.
-
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Kompressionsverhältnis im Brennraum 160 beeinflusst werden, indem die Rückstellkraft 305 verstellt wird, die von der komprimierten im Wesentlichen eingeschlossenen Luft in den Prellkammern 400, 402 bereitgestellt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Rückstellkraft 305 verstellt oder moduliert werden, indem eine Masse der eingeschlossenen Luft (d. h. eine eingeschlossene Luftmasse) in mindestens einer der Prellkammern 400, 402 variiert wird. Bei einer Ausführungsform kann das Verstellen der eingeschlossenen Luftmasse in mindestens einer der Prellkammern 400, 402 umfassen, dass die Luft in der jeweiligen Prellkammer 400, 402 erhöht wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Verstellen der eingeschlossenen Luftmasse in mindestens einer der Prellkammern 400, 402 umfassen, dass ein Teil der im Wesentlichen eingeschlossenen Luft aus der jeweiligen Prellkammer 400, 402 freigesetzt wird.
-
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine Synchronisation der linearen Verschiebung mindestens eines der Kolben 301, 302 in Übereinstimmung mit einem Beeinflussen des Kompressionsverhältnisses im Brennraum 160 durch Verstellen der Rückstellkraft 305 eingestellt werden, indem die eingeschlossene Luftmasse in mindestens einer der Prellkammern 400, 402 variiert wird.
-
Ein oder mehrere Steuermodule 500 werden verwendet, um verschiedene Abschnitte des FPLA zu steuern. Ein Steuermodul 500 kann eine Kraftstoffströmungsrate in den Brennraum 160 hinein steuern, wodurch die Ausgabe des FPLA beeinflusst wird. Ein Steuermodul 500 kann einen elektrischen Widerstand erhöhen oder verringern, der an die elektrische Schaltung angelegt wird, wodurch beeinflusst wird, wie viel Strom aus dem FPLA entnommen wird. Eine derartige Modulation der Stromentnahme aus dem FPLA kann die elektrische Leistung beeinflussen, die an den Gleichrichter 700 geliefert wird. Ferner kann eine Modulation des Stroms, der aus dem FPLA entnommen wird, die Kraft modulieren, die durch Induktion auf die Kolben 301, 302 erzeugt wird, wodurch der Zyklus der Kolben 301, 302 und die Verbrennung im Brennraum 160 beeinflusst werden. Beispielsweise können die Verbrennungskraft 401 und die Vorspannkraft 305, die auf die Kolben aufgebracht werden, das Kompressionsverhältnis im Brennraum 160 beeinflussen.
-
Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerk usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen ausführen, kombinatorische Logikschaltungen, Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und andere Komponenten zum Bereitstellen der beschriebenen Funktionalität. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige durch einen Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen umfassen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden etwa durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuermodulen zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen zum Steuern des Betriebs von Stellgliedern auszuführen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, z. B. alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs der Kraftmaschine und des Fahrzeugs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
-
So, wie er hier beschrieben ist, kann der FPLA 100 bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung alleine verwendet werden. Bei einer alternativen Ausführungsform können FPLAs in Paaren oder in Bänken verwendet werden. In Abhängigkeit von den Gesamtanforderungen der Gesamtkonfiguration können einzelne FPLAs oder Gruppen von FPLAs selektiv aktiviert oder deaktiviert werden. Jeder FPLA kann individuell ausgeglichen sein, wobei einander gegenüberliegende Kolben mit gleichen und einander entgegengesetzten Verschiebungen arbeiten, so dass Konfigurationen verwendet werden können, die nicht erfordern, dass ein paarweiser Betrieb der FPLAs aufrechterhalten wird.
-
Der FPLA 100 enthält weniger bewegliche Teile als andere bekannte Kraftmaschinenkonfigurationen. Ferner kann, wie hier beschrieben, eine Konfiguration verwendet werden, die keine Kolbenringe benötigt. Als Folge von weniger beweglichen Teilen und der Beseitigung von Kolbenringen kann die Wärmeerzeugung im FPLA verringert werden und der Kraftmaschinenwirkungsgrad kann erhöht werden.
-
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung können anderen weitere Modifikationen und Änderungen einfallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art zum Ausführen dieser Offenbarung betrachtet werden, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen enthalten wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
