DE102012111067B3

DE102012111067B3 - Freikolbenvorrichtung

Info

Publication number: DE102012111067B3
Application number: DE201210111067
Authority: DE
Inventors: Roman Virsik
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor (12), umfassend eine linear bewegliche erste Kolbeneinrichtung (20) mit mindestens einem Kolben (22, 24), die eine erste Kolbenseite (66) und eine zweite Kolbenseite (70) aufweist, eine linear bewegliche zweite Kolbeneinrichtung (52) mit mindestens einem Kolben (54, 56), die eine erste Kolbenseite (68) und eine zweite Kolbenseite (72) aufweist, eine der ersten Kolbeneinrichtung (20) und der zweiten Kolbeneinrichtung (52) gemeinsam zugeordnete Expansionskammer (30), in der ein Expansionsraum (32) für die Expansion eines Arbeitsmediums gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) den Expansionsraum (32) mit der jeweiligen ersten Kolbenseite (66, 68) begrenzen, sowie eine Rückfedereinrichtung (42) zum Bereitstellen einer Rückstellkraft für die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52). Um eine derartige Freikolbenvorrichtung bereitzustellen, die einen kompakteren Aufbau aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine der ersten Kolbeneinrichtung (20) und der zweiten Kolbeneinrichtung (52) gemeinsam zugeordnete Rückfederkammer (40) aufweist, an der die Rückfedereinrichtung (42) angeordnet ist und in der mindestens ein Rückfederraum (44) gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) mit der jeweiligen zweiten Kolbenseite (70, 72) einen Rückfederraum (44) begrenzen, und dass sich die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) unter der Wirkung der Expansion des Arbeitsmediums im Expansionsraum (32) und unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung (42) relativ zueinander gegengleich bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor, umfassend eine linear bewegliche erste Kolbeneinrichtung mit mindestens einem Kolben, die eine erste Kolbenseite und eine zweite Kolbenseite aufweist, eine linear bewegliche zweite Kolbeneinrichtung mit mindestens einem Kolben, die eine erste Kolbenseite und eine zweite Kolbenseite aufweist, eine der ersten Kolbeneinrichtung und der zweiten Kolbeneinrichtung gemeinsam zugeordnete Expansionskammer, in der ein Expansionsraum für die Expansion eines Arbeitsmediums gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung den Expansionsraum mit der jeweiligen ersten Kolbenseite begrenzen, sowie eine Rückfedereinrichtung zum Bereitstellen einer Rückstellkraft für die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung.
Eine derartige Freikolbenvorrichtung ist in der DE 102 19 549 A1 beschrieben. Die Freikolbenvorrichtung umfasst eine Expansionskammer, in deren Expansionsraum das Arbeitsmedium wie insbesondere ein Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet werden kann. Durch die Expansion des Arbeitsmediums werden die den Expansionsraum begrenzenden Kolbeneinrichtungen angetrieben. Zum Rückstellen der Kolbeneinrichtungen ist die Rückfedereinrichtung vorgesehen, unter deren Wirkung die Kolbeneinrichtungen gesondert voneinander mit Rückstellkräften beaufschlagt und wieder aufeinander zu bewegt werden können, woraufhin der Prozess von neuem beginnt. Üblicherweise wird die Freikolbenvorrichtung im Zweitaktverfahren betrieben, bei dem der Ladungswechsel im Bereich des jeweiligen unteren Totpunkts der Kolbeneinrichtungen erfolgt. Zu diesem Zweck sind an der Expansionskammer insbesondere ein Einlassanschluss und ein Auslassanschluss zum Zuführen des Arbeitsmediums und zum Abführen der Verbrennungsprodukte vorgesehen.
Die in der vorstehend genannten Druckschrift beschriebene Freikolbenvorrichtung bewährt sich in der Praxis. Jedoch wäre es wünschenswert, eine Freikolbenvorrichtung bereitzustellen, die einen kompakteren Aufbau aufweist.
Die DE 10 2007 017 033 B3 beschreibt einen Freikolbenmotor mit Kurbeltrieb, umfassend mindestens einen Freiflugkolben, welcher über ein Federelement mit mindestens einem Kurbelkolben eines Kurbeltriebs verbunden ist.
Eine Freikolbenvorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer Freikolbenvorrichtung sind in der DE 10 2007 035 914 A1 beschrieben. Zur Erzielung einer kompakten Bauform und zu einer einfachen Realisierung ist vorgesehen, dass in einer Kolbenaufnahme ein Rückfederraum angeordnet ist, wobei eine Kolbeneinrichtung mit einer ersten Kolbenfläche einen Expansionsraum der Kolbenaufnahme und mit einer der ersten Kolbenfläche abgewandten zweiten Kolbenfläche den Rückfederraum begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einen kompakteren Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Freikolbenvorrichtung eine der ersten Kolbeneinrichtung und der zweiten Kolbeneinrichtung gemeinsam zugeordnete Rückfederkammer aufweist, an der die Rückfedereinrichtung angeordnet ist und in der mindestens ein Rückfederraum gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung mit der jeweiligen zweiten Kolbenseite einen Rückfederraum begrenzen, und dass sich die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung unter der Wirkung der Expansion des Arbeitsmediums im Expansionsraum und unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung relativ zueinander gegengleich bewegen.
Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung sind eine Expansionskammer und eine Rückfederkammer vorgesehen, die jeweils beiden Kolbeneinrichtungen gemeinsam zugeordnet sind. Unter der Wirkung des Arbeitsmediums kann eine Relativbewegung der Kolbeneinrichtungen bewirkt werden, wobei sich diese gegengleich bewegen. Die ersten Kolbenseiten können in voneinander weg weisender Richtung bei der Expansion des Arbeitsmediums in der Expansionskammer oder in auf einander zu weisende Richtung bewegt werden, wenn die Kolbeneinrichtungen der von der Rückfedereinrichtung bereitgestellten Rückstellkraft unterliegen. In der Rückfederkammer ist zu diesem Zweck mindestens ein Rückfederraum vorgesehen, an dem die Rückfedereinrichtung angeordnet ist. Durch Vorsehen nur einer Rückfederkammer für die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung kann der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ein kompakter und konstruktiv einfacher Aufbau verliehen werden. Es ist insbesondere nicht erforderlich, für jede Kolbeneinrichtung eine gesonderte Rückfederkammer bereitzustellen, wie dies bei der in der DE 102 19 549 A1 beschriebenen Freikolbenvorrichtung der Fall ist.
Günstig ist es, wenn in der Rückfederkammer ein Rückfederraum gebildet ist, den die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung mit der jeweiligen zweiten Kolbenseite begrenzen. Durch Vorsehen eines gemeinsamen Rückfederraumes, der von der ersten und der zweiten Kolbeneinrichtung begrenzt wird, kann der Freikolbenvorrichtung ein noch kompakterer Aufbau und eine noch einfachere konstruktive Ausgestaltung verliehen werden. Insbesondere weist die Freikolbenvorrichtung genau einen Rückfederraum auf, der von der Rückfederkammer gebildet ist.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist es von Vorteil, wenn die Rückfedereinrichtung ein in dem mindestens einen Rückfederraum aufgenommenes komprimierbares Fluid umfasst, beispielsweise ein Gas wie insbesondere Luft. Dies erweist sich speziell dann als vorteilhaft, wenn die Rückfederkammer, wie vorstehend erwähnt, einen Rückfederraum bildet, der von beiden Kolbeneinrichtungen mit deren jeweiliger Kolbenseite begrenzt ist. Das Volumen des mindestens einen Rückfederraumes ist insbesondere invers zum Volumen des Expansionsraumes, wobei bei einer Expansion des Arbeitsmediums das Volumen des Rückfederraumes unter Kompression des Fluids verkleinert wird. Bei darauf erfolgender Expansion des Fluids vergrößert sich das Volumen des mindestens einen Rückfederraumes unter Verringerung des Volumens des Expansionsraumes. Dabei kann beispielsweise zugleich das Arbeitsmedium im Expansionsraum komprimiert werden.
Vorzugsweise ist der Druck des Fluids im mindestens einen Rückfederraum einstellbar, insbesondere steuerbar und/oder regelbar. Zu diesem Zweck kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Menge des Fluids, das Volumen des Fluids, die Art des Fluids, die Temperatur des Fluids etc. im Rückfederraum geändert werden kann, speziell im Betrieb der Freikolbenvorrichtung. Die Änderung des Druckes des Fluids im Rückfederraum kann etwa auf eine der in der DE 102 42 141 A1 , der DE 10 2006 029 532 A1 und/oder der DE 10 2011 000 620 A1 beschriebenen Weisen erfolgen, wobei die Offenbarungsgehalte dieser Druckschriften vollinhaltlich in die vorliegende Anmeldung miteinbezogen werden.
Zur Änderung des Drucks des Fluids im Rückfederraum kann die Freikolbenvorrichtung in an sich bekannter Weise einen oder mehrere Ein- und/oder Auslässe am Rückfederraum umfassen sowie Zuführleitungen und/oder Abführleitungen für Fluid, einen Fluidspeicher, an den Ein- und/oder Auslässen angeordnete Ventile, die mit einer Steuer- und Regelungseinrichtung der Freikolbenvorrichtung in signalwirksamer Verbindung stehen.
Für eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn die erste Kolbeneinrichtung und/oder die zweite Kolbeneinrichtung an der zweiten Kolbenseite einen zweiten Kolben zum jeweiligen Begrenzen eines Rückfederraumes aufweisen.
Ergänzend oder alternativ zu einem in dem mindestens einen Rückfederraum aufgenommenen komprimierbaren Fluid kann vorgesehen sein, dass die Rückfedereinrichtung mindestens ein in dem mindestens einen Rückfederraum angeordnetes elastisches Rückstellelement zum Bereitstellen einer Rückstellkraft auf die erste Kolbeneinrichtung und/oder die zweite Kolbeneinrichtung aufweist. Bei dem Rückstellelement kann es sich beispielsweise um ein mechanisches, federelastisches Rückstellelement wie eine Schraubenfeder handeln, welche von der jeweiligen Kolbeneinrichtung komprimiert wird und durch deren Expansion eine Rückstellkraft auf die jeweilige Kolbeneinrichtung ausgeübt wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass beiden Kolbeneinrichtungen ein gemeinsames Rückstellelement zugeordnet ist. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Härte des Rückstellelementes einstellbar ist, insbesondere steuerbar und/oder regelbar.
Die erste Kolbeneinrichtung weist beispielsweise ein Kopplungselement auf, das einen den Expansionsraum und einen den Rückfederraum begrenzenden Kolben der ersten Kolbeneinrichtung an der ersten Kolbenseite bzw. der zweiten Kolbenseite miteinander verbindet. Am Kopplungselement kann, darauf wird nachfolgend noch eingegangen, eine Energiekopplungseinrichtung angeordnet sein, zum Beispiel eine Magneteinrichtung oder eine Spuleneinrichtung eines elektrischen Lineartriebs.
Um einen besonders kompakten Aufbau der Freikolbenvorrichtung zu erzielen, ist es günstig, wenn die zweite Kolbeneinrichtung aus der Expansionskammer an einer der ersten Kolbenseite der ersten Kolbeneinrichtung abgewandten Seite austritt und aus der Rückfederkammer an einer der zweiten Kolbenseite der ersten Kolbeneinrichtung abgewandten Seite austritt und mindestens einen seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer verlaufenden Abschnitt aufweist. Beispielsweise kann die zweite Kolbeneinrichtung einander gegenüberliegende Endseiten der Freikolbenvorrichtung bilden, wobei sie jeweils an Endseiten aus der Expansionskammer und der Rückfederkammer austritt. Die zweite Kolbeneinrichtung kann auch im Abstand zu einer jeweiligen Endseite der Freikolbenvorrichtung aus der Expansionskammer und/oder der Rückfederkammer austreten. Ein Abschnitt der zweiten Kolbeneinrichtung verläuft seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer und insbesondere parallel zu diesen, speziell parallel zu einer von der ersten Kolbeneinrichtung definierten Achse.
Die erste Kolbeneinrichtung ist vorzugsweise abschnittsweise zwischen der Expansionskammer und der Rückfederkammer angeordnet und greift mit der ersten Kolbenseite bzw. der zweiten Kolbenseite in diese ein. Die jeweiligen ersten Kolbenseiten und jeweiligen zweiten Kolbenseiten der Kolbeneinrichtungen können einander axial gegenüberliegen und den Expansionsraum bzw. einen gemeinsamen Rückfederraum begrenzen.
Vorzugsweise weist die zweite Kolbeneinrichtung zwei seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer verlaufende Abschnitte auf, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Kolbeneinrichtung angeordnet sind. Die beiden bevorzugt stangenförmigen Abschnitte sind bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung und vorzugsweise der Expansions- und Rückfederkammer auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet, so dass der zweiten Kolbeneinrichtung eine robustere Konstruktion verliehen werden kann. Darüber hinaus kann die Masse der zweiten Kolbeneinrichtung im Hinblick auf einen Massenausgleich auf beide Seiten der ersten Kolbeneinrichtung, der Expansions- und der Rückfederkammer verteilt werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Freikolbenvorrichtung ein Gehäuse aufweist, wobei die erste Kolbeneinrichtung und die zweite Kolbeneinrichtung relativ zum Gehäuse beweglich sind und das Gehäuse zumindest von einer Kolbeneinrichtung durchgriffen ist und wenn die Expansionskammer und die Rückfederkammer auf einander gegenüberliegenden Seiten seitlich neben dem Gehäuse angeordnet sind. Dadurch kann der Freikolbenvorrichtung ein besonders kompakter Aufbau verliehen werden. Beispielsweise durchgreift die erste Kolbeneinrichtung das Gehäuse, insbesondere zentral, und greift mit der ersten Kolbenseite und der zweiten Kolbenseite in die Expansionskammer bzw. die Rückfederkammer ein. Die zweite Kolbeneinrichtung kann das Gehäuse ebenfalls durchgreifen, zum Beispiel mit den vorstehend erwähnten Abschnitten und insbesondere mit beiden vorstehend erwähnten Abschnitten jeweils seitlich neben der ersten Kolbeneinrichtung. Die zweite Kolbeneinrichtung kann sich beispielsweise seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer sich bis zu einander abgewandten Endseiten der Freikolbenvorrichtung erstrecken und von diesen mit der ersten Kolbenseite in die Expansionskammer und der zweiten Kolbenseite in die Rückfederkammer eingreifen.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Expansionskammer und/oder die Rückfederkammer an das Gehäuse angrenzen oder im Wesentlichen angrenzen. Beispielsweise bilden die Expansionskammer und/oder die Rückfederkammer Teilgehäuse der Freikolbenvorrichtung, die flanschartig am Gehäuse anliegen können.
Wie bereits erwähnt, kann vorgesehen sein, dass die Freikolbenvorrichtung eine Energieauskopplungseinrichtung umfasst. Die Energieauskopplungseinrichtung erlaubt es, Bewegungsenergie der ersten und/oder der zweiten Kolbeneinrichtung abzuführen. Umgekehrt kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der Kolbeneinrichtungen bei umgekehrtem Betrieb der Energieauskopplungseinrichtung Energie zugeführt werden kann. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Bewegung zumindest einer Kolbeneinrichtung zu steuern und/oder zu regeln und damit einen Betriebspunkt der Freikolbenvorrichtung einzustellen.
Für einen kompakten Aufbau der Freikolbenvorrichtung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Energieauskopplungseinrichtung zumindest teilweise in einem Gehäuse der Freikolbenvorrichtung aufgenommen ist, insbesondere in dem vorstehend erwähnten Gehäuse derselben.
Für denselben Vorteil ist es bevorzugt, wenn die Expansionskammer und die Rückfederkammer an einander gegenüberliegenden Seiten der Energieauskopplungseinrichtung angeordnet sind. Darunter kann insbesondere verstanden werden, dass die Energieauskopplungseinrichtung, längs einer von der Freikolbenvorrichtung definierten Achse, zwischen der Expansionskammer und der Rückfederkammer angeordnet ist. Quer zur Achse kann die Energieauskopplungseinrichtung eine Erstreckung aufweisen, zum Beispiel wenn sie an einem seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer verlaufenden Abschnitt der zweiten Kolbeneinrichtung angeordnet ist.
Günstig ist es, wenn die Energieauskopplungseinrichtung mindestens einen elektrischen Lineartrieb umfasst mit einer an einer Kolbeneinrichtung angeordneten Magneteinrichtung und einer Spuleneinrichtung, relativ zur der die Magneteinrichtung beweglich ist. Durch eine Bewegung der Kolbeneinrichtung kann an der Spuleneinrichtung eine elektrische Spannung induziert werden. Der daraus resultierende elektrische Strom kann als elektrische Energie abgeführt werden. Umgekehrt kann der elektrische Lineartrieb zum Steuern und/oder Regeln der Bewegung der Kolbeneinrichtung und damit des Betriebs der Freikolbenvorrichtung eingesetzt werden.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass mindestens ein elektrischer Lineartrieb vorgesehen ist mit einer an einer Kolbeneinrichtung angeordneten Spuleneinrichtung, die mit einer ortsfesten Magneteinrichtung zusammenwirkt.
Vorzugsweise ist an der ersten Kolbeneinrichtung eine Magneteinrichtung festgelegt, die mit einer vorzugsweise in einem Gehäuse der Freikolbenvorrichtung angeordneten Spuleneinrichtung zusammenwirkt. Bewegt sich die Kolbeneinrichtung relativ zur Spuleneinrichtung, insbesondere relativ zum Gehäuse, kann in der Spuleneinrichtung aufgrund der Bewegung der Magneteinrichtung eine elektrische Spannung zum Abführen elektrischer Energie induziert werden. Bei dem Gehäuse handelt es sich insbesondere um das vorstehend erwähnte Gehäuse der Freikolbenvorrichtung.
Weiter kann vorgesehen sein, dass an der zweiten Kolbeneinrichtung mindestens eine Magneteinrichtung festgelegt ist, die mit einer vorzugsweise in einem Gehäuse der Freikolbenvorrichtung angeordneten Spuleneinrichtung zusammenwirkt. Beispielsweise ist die Magneteinrichtung an einem der vorstehend erwähnten Abschnitte der zweiten Kolbeneinrichtung festgelegt. Der zweite Abschnitt kann zum Beispiel das vorstehend erwähnte Gehäuse der Freikolbenvorrichtung durchgreifen, in der die Spuleinrichtung angeordnet ist. Weiter kann der zweite Abschnitt seitlich neben der Expansionskammer und der Rückfederkammer verlaufen.
Insbesondere ist denkbar, dass an der zweiten Kolbeneinrichtung zwei Magneteinrichtungen festgelegt sind, an zwei bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung gegenüberliegenden Abschnitten der zweiten Kolbeneinrichtung. Hierbei handelt es sich insbesondere um die vorstehend erwähnten, bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung und vorzugsweise der Expansionskammer sowie der Rückfederkammer einander gegenüberliegenden Abschnitte der zweiten Kolbeneinrichtung.
Alternativ oder ergänzend zu einer elektrischen Energieauskopplung oder elektrischen Energieeinkopplung kann vorgesehen sein, dass die Energieauskopplungseinrichtung eine pneumatische und/oder eine hydraulische Energieauskopplungseinrichtung ist. Auch in diesem Fall ist denkbar, dass über eine pneumatische und/oder eine hydraulische Einrichtung Energie eingekoppelt werden kann, um die Bewegung zumindest einer Kolbeneinrichtung zu steuern und/oder zu regeln und damit den Betrieb der Freikolbenvorrichtung einzustellen.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1: eine perspektivische Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung und
2: eine schematische Schnittansicht der Freikolbenvorrichtung längs der Linie 2-2 in 1.
Die Zeichnung zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, die einen Freikolbenmotor 12 umfasst. Der Freikolbenmotor 12 wiederum umfasst zwei insgesamt mit dem Bezugszeichen 14 belegte Kolbenaufnahmen 14 und 16, zwischen denen ein Gehäuse 18 der Freikolbenvorrichtung 10 angeordnet ist. Weiter umfasst der Freikolbenmotor 12 eine erste Kolbeneinrichtung 20, die an einem ersten Ende einen Kolben 22 und an einem diesem gegenüberliegenden Ende einen Kolben 24 aufweist. Die Kolben 22 und 24 sind durch ein Kopplungselement 26, beispielsweise eine Kolbenstange, miteinander verbunden. Das Kopplungselement 26 ist koaxial zu einer von der Freikolbenvorrichtung 10 insgesamt definierten Achse 28 ausgerichtet.
Die Kolbenaufnahme 14 bildet eine Expansionskammer 30 des Freikolbenmotors 12, in die die erste Kolbeneinrichtung 20 mit dem Kolben 22 und einem Endabschnitt des Kopplungselementes 26 eingreift. Die Expansionskammer 30 bildet einen Expansionsraum 32, wobei der Freikolbenmotor 12 vorliegend über den Expansionsraum 32 hinaus keinen weiteren Expansionsraum aufweist. Im Expansionsraum 32 kann ein Arbeitsmedium expandieren. Bei diesem handelt es sich insbesondere um ein Brennstoff-Luft-Gemisch, wobei als Brennstoff beispielsweise Benzin, Diesel, Wasserstoff oder Methan eingesetzt werden kann. Der Expansionsraum 32 ist damit insbesondere ein Verbrennungsraum, in dem das Brennstoff-Luft-Gemisch über Zündeinrichtung 33 gezündet werden kann, so dass es im Expansionsraum 32 unter Volumenvergrößerung verbrennt. Anstelle von Luft kann auch ein anderer Oxidator zum Einsatz kommen.
Das Arbeitsmedium kann der Expansionskammer 30 zugeführt werden, und Verbrennungsprodukte können aus dieser abgeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Freikolbenvorrichtung in der Zeichnung nur schematisch dargestellte Öffnungen 34 an der Expansionskammer 30 auf, bei denen es sich um Einlassöffnungen und/oder um Auslassöffnungen handeln kann. An die Öffnungen 34 sind mindestens eine Zuführleitung und/oder mindestens eine Abführleitung zum Zuführen des Arbeitsmediums und Abführen der Verbrennungsprodukte angeschlossen (nicht gezeigt). Brennstoff kann auch über eine Einspritzeinrichtung in den Expansionsraum 32 eingespritzt werden. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine beispielsweise von der Freikolbenvorrichtung 10 umfasste Ladeeinrichtung, mit der das Arbeitsmedium bereitgestellt werden kann, sowie an den Öffnungen 34 angeordnete Ventile, um Arbeitsmedium bedarfsgerecht in den Expansionsraum 32 einzulassen bzw. bedarfsgerecht aus diesem abzuführen. In an sich bekannter Weise kann das Zuführen des Arbeitsmediums und das Abführen der Verbrennungsprodukte insbesondere über das Betätigen der Ventile gesteuert und/oder geregelt werden, wobei die Freikolbenvorrichtung 10 zu diesem Zweck eine in 2 schematisch dargestellte Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 umfasst. Schematisch ist in 2 ebenfalls eine Leitung 38 dargestellt, über welche die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 mit der Expansionskammer 30 signalwirksam verbunden ist, etwa zur Ansteuerung der vorstehend erwähnten Ventile oder der Zündeinrichtung.
Die erste Kolbeneinrichtung 20 durchgreift das Gehäuse 18 mit dem Kopplungselement 26 und greift mit dessen Ende sowie dem daran angeordneten Kolben 24 in die Kolbenaufnahme 16 ein, die eine Rückfederkammer 40 des Freikolbenmotors 12 bildet. An der Rückfederkammer 40 ist eine Rückfedereinrichtung 42 angeordnet, die einen von der Rückfederkammer 40 gebildeten Rückfederraum 44 umfasst. Über den Rückfederraum 44 hinaus umfasst die Freikolbenvorrichtung 10 keinen weiteren Rückfederraum.
Im Rückfederraum 44 ist ein kompressibles Fluid, insbesondere ein Gas und speziell Luft, aufgenommen, welches eine Fluidfeder und insbesondere eine Gas- oder Luftfeder bildet. Der Druck des Fluids im Rückfederraum 44 ist dadurch einstellbar und insbesondere steuerbar und/oder regelbar, dass über eine oder mehrere Öffnungen 46 Fluid in den Rückfederraum 44 eingelassen oder aus diesem abgelassen werden kann. In der Zeichnung in 1 nur schematisch dargestellt ist eine entsprechende Ventileinrichtung 48 zum bedarfsgerechten Öffnen und Verschließen der Öffnungen 46. In der Zeichnung nicht gezeigt sind in an sich bekannter Weise vorhandene Leitungen zum Zuführen des Fluids und/oder zum Abführen des Fluids, optional ein Fluidspeicher sowie Sensoren zum Ermitteln des Drucks des Fluids im Rückfederraum 44. Der Druck des Fluids im Rückfederraum 44 kann von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 eingestellt und speziell gesteuert und/oder geregelt werden, was in 2 schematisch durch eine Leitung 50 symbolisiert wird, über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 signalwirksam mit der Rückfederkammer 40 verbunden ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Druck des Fluids im Rückfederraum 44 im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Der Freikolbenmotor 12 umfasst weiter eine zweite Kolbeneinrichtung 52, die Kolben 54 und 56 umfasst. Die zweite Kolbeneinrichtung 52 ist insgesamt ungefähr bügel- oder rahmenförmig ausgestaltet und umfasst Endabschnitte 58 und 60 sowie diese miteinander verbindende Kopplungsabschnitte 62 und 64. Die Endabschnitte 58 und 60 bilden einander abgewandte Endseiten 59 bzw. 61 der Freikolbenvorrichtung 10 aus an der Expansionskammer 30 bzw. der Rückfederkammer 40. Die Endabschnitte 58 und 60 sind jeweils T-förmig ausgestaltet, und deren Enden sowie die daran gehaltenen Kolben 54 bzw. 56 greifen in die Expansionskammer 30 bzw. in die Rückfederkammer 40 ein. Dadurch begrenzen die Kolben 22 und 54 mit einander zugewandten Kolbenseiten 66 bzw. 68 den Expansionsraum 32 in axialer Richtung. Die Kolben 24 und 56 begrenzen mit einander zugewandten Kolbenseiten 70 bzw. 72 den Rückfederraum 44 in axialer Richtung.
Der Endabschnitt 58 tritt an der der ersten Kolbeneinrichtung 20 abgewandten Seite aus dem Expansionsraum 32 aus, d. h. in der von der ersten Kolbeneinrichtung 20 weg weisenden Richtung. In entsprechender Weise tritt der Endabschnitt 60 auf der der ersten Kolbeneinrichtung 20 abgewandten Seite aus der Rückfederkammer 40 aus, d. h. in einer von der ersten Kolbeneinrichtung 20 weg weisenden Richtung. Die Endabschnitte 58 und 60 erstrecken sich jeweils senkrecht zur Achse 28 über die seitlichen Begrenzungen der Expansionskammer 30 und der Rückfederkammer 40 hinaus. Der Kopplungsabschnitt 62 und der Kopplungsabschnitt 64 verbinden die Endabschnitte 58 und 60 miteinander auf einander gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Achse 28. Dadurch liegen die Kopplungsabschnitte 62 und 64 einander auch bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung 20 sowie der Expansionskammer 30 und der Rückfederkammer 40 gegenüber.
Insgesamt ist die Freikolbenvorrichtung im Wesentlichen symmetrisch ausgestaltet bezüglich einer ersten Symmetrieebene, die die Kopplungsabschnitte 62 und 64 und die Achse 28 enthält, sowie bezüglich einer zweiten Symmetrieebene senkrecht zur ersten Symmetrieebene, die die Achse 28 enthält.
Die zweite Kolbeneinrichtung 52 läuft abschnittsweise außenseitig um die Expansionskammer 30 und die Rückfederkammer 40 herum. Dabei verlaufen die Kopplungsabschnitte 62 und 64 jeweils abschnittsweise seitlich neben der Expansionskammer 30, der ersten Kolbeneinrichtung 20 und der Rückfederkammer 40 und durchgreifen jeweils das Gehäuse 18. Die Kopplungsabschnitte 62 und 64 sind parallel zum Kopplungselement 26 ausgerichtet, und die zweite Kolbeneinrichtung 52 ist koaxial bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung 20 und der Achse 28 ausgerichtet.
Die Expansionskammer 30 und die Rückfederkammer 40 sind zylindrisch ausgestaltet und grenzen an einander gegenüberliegenden Seiten an das Gehäuse 18, wobei sie an diesem gewissermaßen flanschartig anliegen.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist eine sehr kompakte Bauform auf trotz des Vorhandenseins von zwei Kolbeneinrichtungen 20 und 52, denen gemeinsam die Expansionskammer 30 und die Rückfederkammer 40 zugeordnet sind und die gemeinsam sowohl den Expansionsraum 32 als auch den Rückfederraum 44 begrenzen.
Bei einem Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 wird, wie erwähnt, das Arbeitsmedium im Expansionsraum 32 expandiert, so dass die Kolbeneinrichtungen 20 und 52 gegenläufig in voneinander weg weisende Richtungen bewegt werden (bezogen auf die Kolben 22 und 54). Demgegenüber werden die Kolben 24 und 56 dadurch in der Rückfederkammer 40 unter Kompression des Rückfederraums 44 aufeinander zu bewegt. Durch die Kompression des sich darin befindenden Fluids wird eine Rückstellkraft der Fluidfeder bereitgestellt zum Rückführen der Kolbeneinrichtungen 20 und 52. Die Kolbeneinrichtungen 20 und 52 bewegen sich dadurch, bezogen auf die Kolben 24 und 56, erneut gegenläufig, wohingegen die Kolben 22 und 54 sich aufeinander zu bewegen unter Verringerung des Volumens des Expansionsraums 32.
1 zeigt die Freikolbenvorrichtung 10 in einem Arbeitstakt, bei dem die Kolben 24 und 54 jeweils den oberen Totpunkt einnehmen. In 2 nehmen sie demgegenüber den unteren Totpunkt ein.
Die Konstruktion der Freikolbenvorrichtung 10 ermöglicht auch einen Massenausgleich zwischen den Kolbeneinrichtungen 20 und 52, deren gemeinsamer Schwerpunkt bei deren Bewegung erhalten bleibt.
Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst ferner eine Energieauskopplungseinrichtung 74, die im vorliegenden Fall drei elektrische Lineargeneratoren 76, 78 und 80 umfasst. Jeder Lineargenerator 76, 78 und 80 umfasst eine Magneteinrichtung 82 an einer Kolbeneinrichtung 20 oder 52 und eine im Gehäuse 18 aufgenommene Spuleneinrichtung 84. Die Magneteinrichtungen 82 umfassen jeweils achsparallel alternierend angeordnete Magnete, insbesondere Permanentmagnete. Im Fall der Kolbeneinrichtung 20 ist die Magneteinrichtung 82 am Kopplungselement 26 festgelegt. Bei der Kolbeneinrichtung 52 sind die Magneteinrichtungen 82 am Kopplungsabschnitt 62 einerseits und am Kopplungsabschnitt 64 andererseits festgelegt.
Die Spuleneinrichtung 84 des Lineargenerators 76 umgibt die Magneteinrichtung 82 am Kopplungselement 26 und ist über eine schematisch dargestellte Leitung 86 signalwirksam mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 verbunden.
Die Spuleneinrichtungen 84 der Lineargeneratoren 78 und 80 können im Gehäuse 18 die Magneteinrichtungen 82 an den Kopplungsabschnitten 62 und 64 umgeben. Dies ist im Fall des Lineargenerators 78 beispielhaft gezeigt. Denkbar ist auch, dass im Gehäuse 18 ein der jeweiligen Spuleneinrichtung 84 zugeordnetes magnetisches oder magnetisierbares Element 88 angeordnet ist, mit dem die magnetischen Feldlinien der jeweiligen Spuleneinrichtung 84 gebündelt werden können. Dies ist im Fall des Lineargenerators 80 beispielhaft gezeigt. Das Element 88 ist beispielsweise plattenförmig ausgestaltet. Beide Lineargeneratoren 78 und 80 können umlaufende Spuleneinrichtungen 84 aufweisen, beide Lineargeneratoren können magnetische oder magnetisierbare Elemente 88 aufweisen, oder ein Lineargenerator kann eine umlaufende Spuleneinrichtung aufweisen, der andere ein Element 88.
Auch die Spuleneinrichtungen 84 der zweiten Kolbeneinrichtungen stehen über Leitungen 90 bzw. 92 signalwirksam mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 in Verbindung.
Zum Massenausgleich ist es von Vorteil, wenn die Masse der Magneteinrichtungen 82 der zweiten Kolbeneinrichtung 52 gemeinsam so groß ist wie die Masse der Magneteinrichtung 82 der ersten Kolbeneinrichtung 20, so dass auch der Massenmittelpunkt der Energieauskopplungseinrichtung 74 bei der Bewegung der Kolbeneinrichtungen 20 und 52 erhalten bleibt.
Im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 kann durch Bewegung der Kolbeneinrichtungen 20 und 52 aufgrund der jeweiligen Magneteinrichtungen 82 elektrische Spannung an den Lineargeneratoren 76, 78 und 80 induziert werden. Bewegungsenergie kann in elektrische Energie umgewandelt und der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 36 bereitgestellt werden.
In umgekehrter Weise kann den Lineargeneratoren 76, 78 und 80 elektrische Energie zugeführt werden, um die Bewegung der Kolbeneinrichtungen 20 und/oder 52 zu steuern und/oder zu regeln und damit den Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 einzustellen.
Anstelle der vorliegend rein elektrischen Energieauskopplungseinrichtung 74 kann vorgesehen sein, dass die Freikolbenvorrichtung 10 ergänzend oder alternativ eine pneumatische und/oder hydraulische Energieauskopplungseinrichtung aufweist.
Bezugszeichenliste

10: Freikolbenvorrichtung
12: Freikolbenmotor
14: Kolbenaufnahme
16: Kolbenaufnahme
18: Gehäuse
20: erste Kolbeneinrichtung
22: Kolben
24: Kolben
26: Kopplungselement
28: Achse
30: Expansionskammer
32: Expansionsraum
33: Zündeinrichtung
34: Öffnung
36: Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
38: Leitung
40: Rückfederkammer
42: Rückfedereinrichtung
44: Rückfederraum
46: Öffnung
48: Ventileinrichtung
50: Leitung
52: zweite Kolbeneinrichtung
54: Kolben
56: Kolben
58: Endabschnitt
59: Endseite
60: Endabschnitt
61: Endseite
62: Kopplungsabschnitt
64: Kopplungsabschnitt
66: Kolbenseite
68: Kolbenseite
70: Kolbenseite
72: Kolbenseite
74: Energieauskopplungseinrichtung
76: Lineargenerator
78: Lineargenerator
80: Lineargenerator
82: Magneteinrichtung
84: Spuleneinrichtung
86: Leitung
88: magnetisches/magnetisierbares Element
90: Leitung
92: Leitung

Claims

Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor (12), umfassend eine linear bewegliche erste Kolbeneinrichtung (20) mit mindestens einem Kolben (22, 24), die eine erste Kolbenseite (66) und eine zweite Kolbenseite (70) aufweist, eine linear bewegliche zweite Kolbeneinrichtung (52) mit mindestens einem Kolben (54, 56), die eine erste Kolbenseite (68) und eine zweite Kolbenseite (72) aufweist, eine der ersten Kolbeneinrichtung (20) und der zweiten Kolbeneinrichtung (52) gemeinsam zugeordnete Expansionskammer (30), in der ein Expansionsraum (32) für die Expansion eines Arbeitsmediums gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) den Expansionsraum (32) mit der jeweiligen ersten Kolbenseite (66, 68) begrenzen, sowie eine Rückfedereinrichtung (42) zum Bereitstellen einer Rückstellkraft für die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52), dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine der ersten Kolbeneinrichtung (20) und der zweiten Kolbeneinrichtung (52) gemeinsam zugeordnete Rückfederkammer (40) aufweist, an der die Rückfedereinrichtung (42) angeordnet ist und in der mindestens ein Rückfederraum (44) gebildet ist, wobei die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) mit der jeweiligen zweiten Kolbenseite (70, 72) einen Rückfederraum (44) begrenzen, und dass sich die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) unter der Wirkung der Expansion des Arbeitsmediums im Expansionsraum (32) und unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung (42) relativ zueinander gegengleich bewegen.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückfederkammer (40) ein Rückfederraum (44) gebildet ist, den die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) mit der jeweiligen zweiten Kolbenseite (70, 72) begrenzen.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfedereinrichtung (42) ein in dem mindestens einen Rückfederraum (44) aufgenommenes komprimierbares Fluid umfasst.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Fluids im mindestens einen Rückfederraum (44) einstellbar ist, insbesondere steuerbar und/oder regelbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kolbeneinrichtung (20) und/oder die zweite Kolbeneinrichtung (52) an der zweiten Kolbenseite (70, 72) einen zweiten Kolben (24, 56) zum jeweiligen Begrenzen eines Rückfederraumes (44) aufweisen.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfedereinrichtung (42) mindestens ein in dem mindestens einen Rückfederraum (44) angeordnetes elastisches Rückstellelement zum Bereitstellen einer Rückstellkraft auf die erste Kolbeneinrichtung (20) und/oder die zweite Kolbeneinrichtung (52) aufweist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolbeneinrichtung (52) aus der Expansionskammer (30) an einer der ersten Kolbenseite (66) der ersten Kolbeneinrichtung (20) abgewandten Seite austritt und aus der Rückfederkammer (40) an einer der zweiten Kolbenseite (70) der ersten Kolbeneinrichtung (20) abgewandten Seite austritt und mindestens einen seitlich neben der Expansionskammer (30) und der Rückfederkammer (40) verlaufenden Abschnitt (62, 64) aufweist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolbeneinrichtung (52) zwei seitlich neben der Expansionskammer (30) und der Rückfederkammer (40) verlaufende Abschnitte (62, 64) aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der ersten Kolbeneinrichtung (20) angeordnet sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) ein Gehäuse (18) aufweist, wobei die erste Kolbeneinrichtung (20) und die zweite Kolbeneinrichtung (52) relativ zum Gehäuse (18) beweglich sind und das Gehäuse (18) zumindest von einer Kolbeneinrichtung (20, 52) durchgriffen ist und dass die Expansionskammer (30) und die Rückfederkammer (40) auf einander gegenüberliegenden Seiten seitlich neben dem Gehäuse (18) angeordnet sind.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (30) und/oder die Rückfederkammer (40) an das Gehäuse (18) angrenzen oder im Wesentlichen angrenzen.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine Energieauskopplungseinrichtung (74) umfasst.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieauskopplungseinrichtung (74) zumindest teilweise in einem Gehäuse (18) der Freikolbenvorrichtung (10) aufgenommen ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (30) und die Rückfederkammer (40) an einander gegenüberliegenden Seiten der Energieauskopplungseinrichtung (74) angeordnet sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieauskopplungseinrichtung (74) mindestens einen elektrischen Lineartrieb (76, 78, 80) umfasst mit einer an einer Kolbeneinrichtung (20, 52) angeordneten Magneteinrichtung (82) und einer Spuleneinrichtung (84), relativ zur der die Magneteinrichtung (82) beweglich ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Kolbeneinrichtung (20) eine Magneteinrichtung (82) festgelegt ist, die mit einer vorzugsweise in einem Gehäuse (18) der Freikolbenvorrichtung (10) angeordneten Spuleneinrichtung (84) zusammenwirkt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Kolbeneinrichtung (52) mindestens eine Magneteinrichtung (82) festgelegt ist, die mit einer vorzugsweise in einem Gehäuse (18) der Freikolbenvorrichtung (10) angeordneten Spuleneinrichtung (84) zusammenwirkt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Kolbeneinrichtung (52) zwei Magneteinrichtungen (82) festgelegt sind, an zwei bezüglich der ersten Kolbeneinrichtung (20) gegenüberliegenden Abschnitten (62, 64) der zweiten Kolbeneinrichtung (52).
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieauskopplungseinrichtung (74) eine pneumatische und/oder eine hydraulische Energieauskopplungseinrichtung (74) ist.