DE102013104685B3

DE102013104685B3 - Freikolbenvorrichtung

Info

Publication number: DE102013104685B3
Application number: DE102013104685.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Kober; Florian Kock
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor, der eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung und eine Kolbenaufnahme umfasst, wobei die Kolbenaufnahme eine einen Expansionsraum bildende Expansionskammer und die Kolbeneinrichtung einen den Expansionsraum begrenzenden Arbeitskolben aufweist, welcher Freikolbenmotor ferner eine Rückfedereinrichtung mit einem Rückfederkörper zum Bereitstellen einer Rückfederkraft für die Kolbeneinrichtung umfasst, und wobei der Arbeitskolben und der Rückfederkörper zwischen oberen Totpunkten und unteren Totpunkten der Bewegung hin- und her bewegbar sind. Um eine derartige Freikolbenvorrichtung bereitzustellen, mit der ein höherer Wirkungsgrad und/oder geringere Emissionswerte erzielbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Freikolbenmotor eine Getriebeeinrichtung umfasst, über die der Arbeitskolben mit dem Rückfederkörper in Wirkverbindung steht zum Bereitstellen einer Relativbewegung des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers, wobei sich die Frequenz des Arbeitskolbens und die Frequenz des Rückfederkörpers voneinander unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor, der eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung und eine Kolbenaufnahme umfasst, wobei die Kolbenaufnahme eine einen Expansionsraum bildende Expansionskammer und die Kolbeneinrichtung einen den Expansionsraum begrenzenden Arbeitskolben aufweist, welcher Freikolbenmotor ferner eine Rückfedereinrichtung mit einem Rückfederkörper zum Bereitstellen einer Rückfederkraft für die Kolbeneinrichtung umfasst, und wobei der Arbeitskolben und der Rückfederkörper zwischen oberen Totpunkten und unteren Totpunkten der Bewegung hin- und herbewegbar sind.
Derartige Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 102 19 549 A1 , der DE 102 42 141 A1 , der DE 10 2006 029 532 und der DE 10 2011 000 620 A1 bekannt. Unter der Wirkung eines expandierenden Arbeitsmediums, insbesondere eines Brennstoff-Luft-Gemisches, kann der Arbeitskolben bewegt und die dabei auftretende mechanische kinetische Energie der mindestens einen Kolbeneinrichtung durch eine Energiekopplungseinrichtung entnommen werden. Der Brennstoff ist beispielsweise Benzin, Diesel, Wasserstoff oder Methan, und anstelle von Luft kann auch ein anderer Oxidator zum Einsatz kommen. Die Energiekopplungseinrichtung, die Bestandteil der Freikolbenvorrichtung sein kann, ist im Fall der vorstehend erwähnten Druckschriften jeweils ein elektrischer Lineartrieb, mit dem die mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, und umgekehrt. Der Arbeitskolben kann sich durch Expansion des Arbeitsmediums von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt und unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegen. Der bei gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtungen fest mit dem Arbeitskolben gekoppelte Rückfederkörper, beispielsweise ausgestaltet als Rückfederkolben, kann sich ebenfalls von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt und umgekehrt bewegen.
Üblicherweise werden Freikolbenvorrichtungen im Zweitaktverfahren betrieben, was jedoch Nachteile mit sich bringt. Für eine zuverlässige Spülung des Expansionsraumes mit Arbeitsmedium ist ein Überdruck des einströmenden Arbeitsmediums erforderlich, weswegen in der Praxis ein Kompressor oder eine Ladeeinrichtung eingesetzt wird. Dies erfordert jedoch einen höheren technischen und energetischen Aufwand. Als nachteilig erweist es sich auch, dass der Ladungswechsel im zweiten Arbeitstakt innerhalb eines nur kurzen Zeitraums erfolgen muss, was insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen der Freikolbenvorrichtung störend ist. Dadurch können in unerwünschter Weise hohe Restmengen an unverbranntem Arbeitsmedium im Expansionsraum verbleiben. Dies beeinträchtigt die Leistung des Freikolbenmotors, dessen Betriebspunkt nicht optimal eingestellt ist. Allgemein sind beim Zweitakt-Verbrennungsprozess die Rohemissionen potenziell schlechter. Dies erfordert Mehrkosten gegenüber dem Viertakt-Verbrennungsprozess, beispielsweise für Abgasnachbehandlung und Benzindirekteinspritzung.
Zur Behebung dieser Nachteile ist es auch bekannt, Freikolbenvorrichtungen in einem Viertaktprozess zu betreiben, wie dies beispielsweise in der DE 10 2011 000 620 A1 erwähnt ist. Bauartbedingt treten jedoch auch hierbei Nachteile auf. Während im ersten Arbeitstakt (Arbeiten) der Arbeitskolben unter der Wirkung des expandierenden Arbeitsmediums bewegt wird und im zweiten und vierten Arbeitstakt (Ausstoßen; Verdichten) unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung, bedarf es einer Energiekopplungseinrichtung, um den Arbeitskolben im dritten Arbeitstakt (Ansaugen) zu bewegen. Zu diesem Zweck muss Energie bereitgestellt werden, etwa durch Ausgestaltung der Energiekopplungseinrichtung als elektrischer Lineartrieb. Beispielsweise wird während des Arbeitstaktes der Kolbeneinrichtung Energie entzogen und zwischengespeichert, die während des Ansaugtaktes wieder der Kolbeneinrichtung zugeführt wird. Dadurch muss Energie jedoch mehrfach unerwünschterweise gewandelt werden, außerdem zeigt sich in der Praxis, dass ein solcher Lineartrieb so dimensioniert werden muss, dass er während des Arbeitstaktes im Wesentlichen die gesamte bei der Expansion des Arbeitsmediums freiwerdende Energie wandeln kann, der Lineartrieb also auf hohe Leistung ausgelegt werden muss. In den verbleibenden Arbeitstakten ist der Lineartrieb jedoch nicht ausgelastet.
Bei Freikolbenvorrichtungen, die doppeltwirkende Rückfederkörper, (etwa über doppeltwirkende Rückfederkolben) einsetzen, kann auch in einem Viertaktbetrieb in allen Arbeitstakten Leistung ausgekoppelt werden. Dies erfolgt jedoch auf Kosten höherer Verluste infolge von Blow-by und Wärmeübergang am Rückfederkolben, so dass auch diese Lösungen Nachteile aufweisen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der ein höherer Wirkungsgrad und/oder niedrigere Emissionswerte erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Freikolbenmotor eine Getriebeeinrichtung umfasst, über die der Arbeitskolben mit dem Rückfederkörper in Wirkverbindung steht zum Bereitstellen einer Relativbewegung des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers, wobei sich die Frequenz des Arbeitskolbens und die Frequenz des Rückfederkörpers voneinander unterscheiden.
Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung sind der Arbeitskolben und der Rückfederkörper über die Getriebeeinrichtung so miteinander gekoppelt, dass sie relativ zueinander beweglich sind. Anders als bei herkömmlichen Freikolbenvorrichtungen entfällt dadurch eine starre Kopplung zwischen dem Arbeitskolben und dem Rückfederkörper. Dies erlaubt es, dass die Frequenzen des Arbeitskolben und des Rückfederkörpers unterschiedlich sind. Das Verhältnis der Frequenzen des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers wird durch die Getriebeeinrichtung definiert. Unter "Frequenz" wird vorliegend insbesondere die Anzahl von Schwingungen des Arbeitskolbens bzw. des Rückfederkörpers pro Zeiteinheit angesehen, wobei eine Schwingung vorliegend als Durchlaufen von zwei aufeinander folgenden oberen Totpunkten oder unteren Totpunkten des Arbeitskolbens bzw. des Rückfederkörpers angesehen wird.
Die Lage der nacheinander durchlaufenen oberen Totpunkte oder unteren Totpunkte kann gleich sein oder unterschiedlich sein. Unter "Frequenz" kann vorliegend insbesondere auch eine mittlere Frequenz des Arbeitskolbens oder des Rückfederkörpers angesehen werden, wenn sich aufeinanderfolgende Schwingungsdauern unterscheiden. Die Schwingung des Arbeitskolbens und/oder des Rückfederkörpers kann harmonisch sein oder nicht. Die Zeit für den Arbeitskolben und/oder den Rückfederkolben für eine Bewegung von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt kann gleich der Zeit für die Bewegung von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt sein oder nicht.
Vorstehende Ausgestaltung ermöglicht, die Freikolbenvorrichtung hinsichtlich der Effizienz der Bewegung des Arbeitskolbens einerseits und der Bewegung des Rückfederkörpers und damit der Ausübung der Rückfederkraft andererseits getrennt voneinander zu optimieren. Beispielsweise ist es vorteilhafterweise möglich, den Arbeitskolben zur Erzielung einer effizienten Verbrennung mit einer eher hohen Frequenz und insbesondere in einem Viertaktprozess zu betrieben, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Die Rückfedereinrichtung, speziell dessen Rückfederkörper, kann zum Beispiel günstigerweise in einer geringeren Frequenz betrieben werden und insbesondere in einem Zweitaktprozess, worauf nachfolgend ebenfalls noch eingegangen wird. Die Verwendung einer eher geringen Frequenz für den Rückfederkörper erweist sich beispielsweise dann als günstig, wenn an diesem eine Energiekopplungseinrichtung angeordnet ist, wie zum Beispiel ein elektrischer Lineartrieb. Die Bewegung des Lineartriebes mit eher geringer Frequenz erleichtert dessen Lagerung und vermindert die Anzahl von zu durchfahrenden Totpunkten, in denen die Leistungsauskopplung ineffizient ist.
Im Ergebnis kann durch die Optimierung der Freikolbenvorrichtung an der Arbeitsseite einerseits und an der Rückfederseite andererseits der Freikolbenmotor mit einem besseren Betriebspunkt und damit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Frequenz des Rückfederkörpers geringer ist als die Frequenz des Arbeitskolbens, speziell bei Betreiben des Arbeitskolbens in einem Viertaktprozess und/oder bei Anordnung eines Lineargenerators am Rückfederkörper oder Kopplung des Lineargenerators mit dem Rückfederkörper.
Günstig ist es, wenn das Verhältnis der Frequenzen des Arbeitskolbens und der Frequenz des Rückfederkörpers ganzzahlig ist. Beispielsweise ist die Frequenz des Arbeitskolbens doppelt so hoch wie die Frequenz des Rückfederkörpers.
Bevorzugt umfasst die Freikolbenvorrichtung eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zum Steuern und/oder Regeln von Arbeitstakten des Arbeitskolbens.
Günstig ist es, wenn die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Arbeitstakte des Arbeitskolbens mit einer an der Expansionskammer angeordneten Ventileinrichtung in Wirkverbindung steht. Die Ventileinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil, über die das Arbeitsmedium in den Expansionsraum eingelassen bzw. aus diesem ausgelassen werden kann.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann vorteilhafterweise mit einer an der Expansionskammer angeordneten Zündeinrichtung in Wirkverbindung stehen, mit der das Arbeitsmedium im Expansionsraum gezündet werden kann.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann auch mit einer an der Expansionskammer angeordneten Einspritzeinrichtung in Wirkverbindung stehen, über welche das Arbeitsmedium direkt in den Expansionsraum eingespritzt wird.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann auch mit einer Mischeinrichtung zum Bereitstellen des Arbeitsmediums als Brennstoff-Oxidator-Gemisch in Wirkverbindung stehen, so dass das Mischverhältnis gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann auch mit einer Ladeeinrichtung, beispielsweise einem Kompressor oder Turbolader, zum Bereitstellen eines Volumenstroms des Arbeitsmediums und dessen Druckerhöhung in Wirkverbindung stehen.
Vorteilhaft ist es, wenn mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ein Viertaktbetrieb des Arbeitskolbens steuerbar und/oder regelbar ist, und wenn über die Getriebeeinrichtung mit dem Rückfederkörper ein Zweitaktbetrieb ausführbar ist. Der Arbeitskolben kann energetisch und/oder emissionstechnisch vorteilhaft im Viertaktprozess betrieben werden. Über die Getriebeeinrichtung kann der Rückfederkörper günstigerweise mit der halben Frequenz des Arbeitskolbens bewegt werden und einen Zweitaktbetrieb ausführen. Dies erweist sich, wie erwähnt, besonders dann als günstig, wenn ein Lineartrieb am Rückfederkörper angeordnet oder mit diesem gekoppelt ist. Durch die geringere Frequenz des Rückfederkörpers kann die Lagerung des Lineartriebs vereinfacht werden. Ineffiziente Bereiche der Leistungsauskopplung am oberen Totpunkt und unteren Totpunkt der Bewegung des Rückfederkörpers werden weniger häufig durchfahren als dies bei Anordnung am Arbeitskolben der Fall wäre. Während des Viertaktbetriebs führt der Arbeitskolben zwei Schwingungen aus. Während einer ersten Schwingung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchläufen des oberen Totpunkts kann der Rückfederkörper beispielsweise von einem unteren zu einem oberen Totpunkt bewegt werden. Während der darauffolgenden Schwingung des Arbeitskolbens kann der Rückfederkörper vom oberen Totpunkt zurück zum unteren Totpunkt bewegt werden, so dass er nach einem Durchlaufen des Viertaktprozesses eine Schwingung ausgeführt hat. Dementsprechend hat der Rückfederkolben einen Zweitaktprozess durchlaufen.
Vorteilhafterweise sind der Arbeitskolben und der Rückfederkörper in Phase beweglich, wobei der mit der niedrigeren Frequenz bewegte Rückfederkörper oder Arbeitskolben einen oberen Totpunkt und einen unteren Totpunkt der Bewegung durchläuft, wenn der mit der höheren Frequenz bewegte Arbeitskolben bzw. Rückfederkörper einen unteren Totpunkt oder einen oberen Totpunkt der Bewegung durchläuft.
Der Freikolbenmotor umfasst bevorzugt eine Energiekopplungseinrichtung zum Aus- und/oder Einkoppeln von Energie aus der bzw. in die mindestens eine Kolbeneinrichtung. Die Energiekopplungseinrichtung erlaubt es, mechanische kinetische Energie der mindestens einen Kolbeneinrichtung durch Wandlung auszukoppeln. Alternativ oder ergänzend kann Energie über die Energiekopplungseinrichtung in mechanische kinetische Energie gewandelt und in die mindestens eine Kolbeneinrichtung eingekoppelt werden. Die Energiekopplungseinrichtung kann auf vielfältige Weise ausgestaltet sein, beispielsweise elektrisch, mechanisch, pneumatisch und/oder hydraulisch.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Energiekopplungseinrichtung mindestens einen elektrischen Lineartrieb umfasst mit einer Spulenanordnung und einer relativ dazu beweglichen Magnetanordnung. Der elektrische Lineartrieb (Lineargenerator) erlaubt es, die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die konstruktiv einfach gespeichert werden kann. Umgekehrt kann elektrische Energie über den Lineartrieb, in die die mindestens eine Kolbeneinrichtung eingekoppelt ist, in mechanische Energie gewandelt werden.
Vorzugsweise ist die Magnetanordnung an einem den Rückfederkörper tragenden Tragelement festgelegt, insbesondere an einer Kolbenstange, und die Spulenanordnung ist ortsfest zur Kolbenaufnahme angeordnet. Dadurch kann eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Lineartriebs erzielt werden. Die Magnetanordnung kann starr mit dem Rückfederkörper gekoppelt und an diesem angeordnet sein, um bevorzugt zusammen mit dem Rückfederkörper in einem Zweitaktprozess und mit geringerer Frequenz als derjenigen des Arbeitskolbens bewegt zu werden.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Bewegung der Kolbeneinrichtung mittels der Energiekopplungseinrichtung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Dies erlaubt es, einen Arbeitspunkt des Freikolbenmotors in dessen Betrieb einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Energiekopplungseinrichtung mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung in Wirkverbindung stehen.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung der Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn die Kolbeneinrichtung die Getriebeeinrichtung umfasst oder ausbildet.
Zur Erzielung einer kompakten Bauform ist es von Vorteil, wenn die Getriebeeinrichtung, bezogen auf eine Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens, zwischen diesem und dem Rückfederkörper angeordnet ist.
Ebenfalls für eine konstruktiv einfache Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Getriebeeinrichtung von der Kolbeneinrichtung antreibbar ist. Darunter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass die Getriebeeinrichtung eine passive ist, die frei von aktiven Elementen allein durch den Arbeitskolben oder den Rückfederkörper angetrieben ist. Die Getriebeeinrichtung ist insbesondere rein mechanisch ausgestaltet.
Von Vorteil ist es, wenn die Getriebeeinrichtung einen Abstandsänderungsmechanismus umfasst, über den der Abstand des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers voneinander im Betrieb der Freikolbenvorrichtung veränderbar ist, einen Verbindungsmechanismus zum Verbinden des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers mit dem Abstandsänderungsmechanismus und einen Kopplungsmechanismus, über den der Abstandsänderungsmechanismus gerätefest am Freikolbenmotor gehalten ist. Der Abstandsänderungsmechanismus ermöglicht es, im Betrieb der Freikolbenvorrichtung eine Relativbewegung des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers bereitzustellen, damit diese sich mit unterschiedlicher Frequenz bewegen können, vorzugsweise im Viertaktbetrieb (Arbeitskolben) und im Zweitaktbetrieb (Rückfederkörper). Der Abstandsänderungsmechanismus ist über einen Kopplungsmechanismus gerätefest am Freikolbenmotor gehalten. Unter "gerätefest am Freikolbenmotor" kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass der Kopplungsmechanismus den Abstandsänderungsmechanismus mit mindestens einem Kopplungspunkt am Freikolbenmotor verbindet, insbesondere an einem Gehäuse des Freikolbenmotors, beispielsweise an der Kolbenaufnahme.
Vorteilhafterweise ist der Abstandsänderungsmechanismus über den Kopplungsmechanismus gerätefest am Freikolbenmotor beweglich in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens gehalten.
Bevorzugt ist der Abstand des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers voneinander abhängig von einer Position des Abstandsänderungsmechanismus. Eine Bewegung des Arbeitskolbens und/oder des Rückfederkörpers kann auf den Abstandsänderungsmechanismus einwirken, um diesen zu bewegen und zugleich eine Relativbewegung des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers herbeizuführen.
Günstig ist es, wenn der Abstandsänderungsmechanismus ein Scherengelenk umfasst oder ausbildet mit zwei relativ zueinander spreizbaren Gelenkgliedern, wobei die Gelenkglieder, bezogen auf eine Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens, von einer weniger gespreizten Stellung in eine gespreiztere Stellung und umgekehrt überführbar sind und der Abstand des Arbeitskolbens vom Rückfederkörper in der weniger gespreizten Stellung größer ist als in der gespreizteren Stellung. In der weniger gespreizten oder gestreckten Stellung kann das Scherengelenk eine gestreckte Konfiguration einnehmen, wobei der Arbeitskolben und der Rückfederkörper einen verhältnismäßig großen Abstand voneinander aufweisen. In der gespreizteren Stellung ist der Abstand des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers voneinander demgegenüber geringer. Der Abstand kann dadurch abhängig von einem Spreizwinkel zwischen den Gelenkgliedern sein. Dies erlaubt es, den Abstand auf konstruktiv einfache Weise zu verändern.
Günstigerweise ist der Spreizwinkel zwischen den Gelenkgliedern abhängig von der Position des Scherengelenkes. Bei einer Bewegung des Scherengelenkes infolge einer Bewegung des Arbeitskolbens und/oder des Rückfederkörpers kann dadurch deren Abstand voneinander verändert werden.
Der Kopplungsmechanismus kann als eine Art "Zwangsbedingung" angesehen werden, der der Abstandsänderungsmechanismus unterworfen ist und die dessen Position relativ zum mindestens einen gerätefesten Kopplungspunkt definiert.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn der Kopplungsmechanismus mindestens ein Kopplungsglied umfasst, das über mindestens ein erstes Gelenk am Abstandsänderungsmechanismus und über mindestens ein zweites Gelenk gerätefest am Freikolbenmotor gelagert ist.
Bevorzugt ist das mindestens eine Kopplungsglied drehbar am Abstandsänderungsmechanismus und drehbar gerätefest am Freikolbenmotor gelagert.
Das mindestens eine Kopplungsglied ist bevorzugt an einem der vorstehend erwähnten Gelenkglieder des Scherengelenkes drehbar gelagert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwei Kopplungsglieder vorgesehen, über die der Abstandsänderungsmechanismus gerätefest am Freikolbenmotor gelagert ist. Beispielsweise ist jedes Kopplungsglied an einem jeweiligen ersten Gelenk an einem der Gelenkglieder des Scherengelenks beweglich und insbesondere drehbar gelagert. An einem jeweiligen zweiten Gelenk, das einen gerätefesten Kopplungspunkt am Freikolbenmotor definiert, kann jedes Gelenkglied beweglich und insbesondere drehbar gelagert sein.
Das mindestens eine Kopplungsglied umfasst bevorzugt eine Strebe oder bildet eine solche aus, über die der Abstandsänderungsmechanismus mit dem gerätefesten Kopplungspunkt verbunden ist.
Als günstig erweist es sich, wenn die Getriebeeinrichtung einen Verstellmechanismus umfasst, über den das mindestens eine zweite Gelenk positionsveränderlich am Freikolbenmotor gehalten ist, insbesondere längs und/oder quer zu einer Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens. Durch die Bewegung des mindestens einen zweiten Gelenkes kann die Stellung des Kopplungsmechanismus und damit die Lage des Abstandsänderungsmechanismus relativ zum gerätefesten Kopplungspunkt eingestellt werden. Dies gibt die Möglichkeit, die Funktion des Abstandsänderungsmechanismus und damit der Getriebeeinrichtung zu beeinflussen. Dadurch wiederum kann Einfluss genommen werden auf die Relativpositionierung und Relativgeschwindigkeit des Arbeitskolbens und des Rückfederkörpers.
Insbesondere kann über eine Bewegung des mindestens einen zweiten Gelenkes der Hub des Arbeitskolbens verändert werden. Denkbar ist, dass dies im Betrieb der Freikolbenvorrichtung durchgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise sind, bei Vorhandensein von zwei Kopplungsgliedern, die jeweils über ein zweites Gelenk gelagert sind, beide zweiten Gelenke über den Verstellmechanismus gemeinsam verstellbar. Dies ermöglicht eine einfachere Konstruktion des Verstellmechanismus.
Der Verstellmechanismus kann auf vielfältige Weise ausgestaltet sein, zum Beispiel elektrisch, mechanisch, pneumatisch, servopneumatisch, hydraulisch oder piezoaktorisch. Sind zwei zweite Gelenke vorgesehen, können diese aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden, quer zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens und/oder in dessen Bewegungsrichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung erweist es sich als günstig, wenn das mindestens eine zweite Gelenk, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens, weiter vom Arbeitskolben beabstandet ist als das mindestens eine erste Gelenk, wenn der Arbeitskolben von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt der Bewegung und der Rückfederkörper von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt der Bewegung bewegt wird. Dadurch kann, beispielsweise bei Einsatz eines Scherengelenks als Abstandsänderungsmechanismus, der Abstand zwischen dem Arbeitskolben und dem Rückfederkörper zunächst verringert und eine Geschwindigkeitsreduzierung des Rückfederkörpers erzielt werden.
Bei einer andersartigen Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn das mindestens eine zweite Gelenk, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens, gleich weit oder weniger weit vom Arbeitskolben beabstandet ist als das mindestens eine erste Gelenk, wenn der Arbeitskolben von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt der Bewegung und der Rückfederkörper von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt der Bewegung bewegt wird. Dies erlaubt es, insbesondere bei Einsatz eines Scherengelenks als Abstandsänderungsmechanismus, zunächst eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Arbeitskolben und dem Rückfederkörper zu erzielen. Dies gibt die Möglichkeit einer Wegverlängerung auf der Seite des Rückfederkörpers, was insbesondere von Vorteil ist, wenn eine Energiekopplungseinrichtung auf der Seite des Rückfederkörpers angeordnet ist.
Der Verbindungsmechanismus umfasst vorzugsweise mindestens ein erstes Verbindungsglied, über das der Arbeitskolben oder ein mit diesem verbundenes Kolbentragelement gelenkig mit dem Abstandsänderungsmechanismus verbunden ist, sowie mindestens ein zweites Verbindungsglied, über das der Rückfederkörper oder ein mit diesem verbundenes Tragelement gelenkig mit dem Abstandsänderungsmechanismus verbunden ist. Das Tragelement für den Rückfederkörper ist bei dieser Ausgestaltung als Rückfederkolben insbesondere ein Kolbentragelement. Die Kolbentragelemente sind speziell Kolbenstangen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung in der Praxis erweist es sich als günstig, wenn der Verbindungsmechanismus zwei erste Verbindungsglieder umfasst, die am Arbeitskolben oder an dem mit diesem verbundenen Kolbentragelement drehbar gelagert sind und die am Abstandsänderungsmechanismus drehbar gelagert sind, und/oder der Verbindungsmechanismus umfasst zwei zweite Verbindungsglieder, die am Rückfederkörper oder an dem mit diesem verbundenen Tragelement drehbar gelagert sind und die am Abstandsänderungsmechanismus drehbar gelagert sind.
Von Vorteil ist es, wenn die ersten Verbindungsglieder an je einem der Gelenkglieder des Scherengelenkes drehbar gelagert sind und/oder wenn die zweiten Verbindungsglieder an je einem der Gelenkglieder des Scherengelenks drehbar gelagert sind. Jedes Gelenkglied kann, bevorzugt an einander gegenüberliegenden Endabschnitten, gelenkig mit einem ersten Verbindungsglied und einem zweiten Verbindungsglied verbunden sein. Die ersten Verbindungsglieder sind gelenkig mit dem Arbeitskolben oder dem Kolbentragelement verbunden, und die zweiten Verbindungsglieder sind gelenkig mit dem Rückfederkörper oder dem Tragelement für diesen verbunden. Dadurch kann eine zuverlässige Funktion der Getriebeeinrichtung sichergestellt werden.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine erste Verbindungsglied und das mindestens eine Kopplungsglied und/oder das mindestens eine zweite Verbindungsglied und das mindestens eine Kopplungsglied am mindestens einen Gelenk mit dem Abstandsänderungsmechanismus verbunden sind. An nur einem Gelenk kann sowohl ein Kopplungsglied als auch ein Verbindungsglied angreifen, wodurch eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung erzielt wird.
Insbesondere ist das mindestens eine Kopplungsglied an einem ersten Gelenk zusammen mit dem mindestens einen zweiten Verbindungsglied an einem Gelenkglied des Scherengelenkes gelenkig verbunden.
Das erste Verbindungsglied und/oder das zweite Verbindungsglied sind beispielsweise als Streben ausgestaltet oder umfassen solche.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Rückfedereinrichtung mindestens eine Gasfedereinrichtung umfasst oder ausbildet, wobei die Kolbenaufnahme eine Rückfederkammer aufweist, in der ein Rückfederraum gebildet ist, und wenn die Kolbeneinrichtung einen den Rückfederkörper bildenden Rückfederkolben umfasst, der den Rückfederraum begrenzt. Die Gasfedereinrichtung erlaubt es zum Beispiel, den Arbeitspunkt des Freikolbenmotors einzustellen, wobei insbesondere eine Einstellung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung möglich ist. Die Einstellung des Arbeitspunktes erfolgt speziell durch Einstellung der Rückfederkraft der Gasfedereinrichtung, wie dies zum Beispiel in der DE 10 2011 000 620 A1 oder der DE 10 2006 029 532 A1 beschrieben ist.
Ein in der Rückfederkammer aufgenommenes Gas kann unter der Wirkung des Rückfederkolbens komprimiert werden. Bei der nachfolgenden Expansion kann die Rückfederkraft auf den Rückfederkolben und ein Kolbentragelement desselben, zum Beispiel ein Kolbenstange, ausgeübt werden. Die Kolbenstange kann über den Verbindungsmechanismus mit dem Abstandsänderungsmechanismus gekoppelt sein, insbesondere dem vorstehend erwähnten Scherengelenk.
Von Vorteil ist es, wenn ein unterer Totpunkt der Bewegung des Rückfederkolbens einstellbar ist, insbesondere bei Betrieb des Arbeitskolbens in einem Viertaktbetrieb und des Rückfederkolbens in einem Zweitaktbetrieb. Dies erlaubt es, günstigerweise im Betrieb, die Einstellung des unteren Totpunkts des Rückfederkolbens zu benutzen, um eine Verdichtung des Arbeitsmediums einzustellen, indem ein oberer Totpunkt des Arbeitskolbens eingestellt wird.
Weiter ist es von Vorteil, wenn ein oberer Totpunkt der Bewegung des Rückfederkolbens einstellbar ist, insbesondere bei Betrieb des Arbeitskolbens in einem Viertaktbetrieb und des Rückfederkolbens in einem Zweitaktbetrieb. Dies gibt die Möglichkeit, günstigerweise im Betrieb der Freikolbenvorrichtung, über den oberen Totpunkt des Rückfederkolbens den Ausstoßhub des Arbeitsmediums einzustellen, ebenfalls indem ein oberer Totpunkt des Arbeitskolbens eingestellt wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung zu Beginn eines ersten Arbeitstaktes;
2: die Freikolbenvorrichtung aus 1 zu Beginn eines zweiten Arbeitstaktes;
3: die Freikolbenvorrichtung aus 1 zu Beginn eines dritten Arbeitstaktes;
4: die Freikolbenvorrichtung aus 1 zu Beginn eines vierten Arbeitstaktes;
5: den Weg-Zeit-Verlauf eines Arbeitskolbens und eines Rückfederkolbens der Freikolbenvorrichtung aus 1;
6: eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung zu Beginn eines ersten Arbeitstaktes;
7: eine vergrößerte Darstellung von Detail A in 6;
8: eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung zu Beginn eines ersten Arbeitstaktes;
9: die Freikolbenvorrichtung aus 8 zu Beginn eines zweiten Arbeitstaktes;
10: die Freikolbenvorrichtung aus 8 zu Beginn eines dritten Arbeitstaktes;
11: die Freikolbenvorrichtung aus 8 zu Beginn eines vierten Arbeitstaktes;
12: den Weg-Zeit-Verlauf eines Arbeitskolbens und eines Rückfederkolbens der dritten bevorzugten Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung gemäß 8 und
13: den Weg-Zeit-Verlauf eines Arbeitskolbens und eines Rückfederkolbens einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung (selber nicht dargestellt).
Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst einen Freikolbenmotor 12, der eine Kolbenaufnahme 14 aufweist. Die Kolbenaufnahme 14 ist beispielsweise durch ein nicht weiter gezeigtes Gehäuse der Freikolbenvorrichtung 10 gebildet. In der Kolbenaufnahme 14 ist eine Kolbeneinrichtung 16 längs einer von ihr definierten Achse 18 linear beweglich angeordnet.
Die Kolbeneinrichtung 16 umfasst einen Arbeitskolben 20 an einem ersten Ende, der an einem Kolbentragelement 22, vorliegend in Gestalt einer Kolbenstange festgelegt ist. Weiter umfasst die Kolbeneinrichtung 16 an dem dem Arbeitskolben 20 gegenüberliegenden Ende einen Rückfederkolben 24. Der Rückfederkolben 24 ist an einem Kolbentragelement 26, vorliegend ebenfalls in Gestalt einer Kolbenstange, festgelegt. Die Kolbenstangen 22 und 26 definieren die Achse 18.
Der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 sind beweglich miteinander gekoppelt, indem die Kolbenstangen 22 und 26 über eine Getriebeeinrichtung 28 der Freikolbenvorrichtung 10 miteinander verbunden sind. Im vorliegenden Fall umfasst die Kolbeneinrichtung 16 die Getriebeeinrichtung 28, auf deren Ausgestaltung nachfolgend noch eingegangen wird.
Die Kolbenaufnahme 14 weist im Bereich des Arbeitskolbens 20 eine Expansionskammer 30 auf, in der der Arbeitskolben 20 angeordnet ist. Die Expansionskammer 30 bildet einen Expansionsraum 32, insbesondere einen Verbrennungsraum. Im Expansionsraum 32 kann ein Arbeitsmedium expandieren, insbesondere ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch. Als Brennstoff kommt zum Beispiel Benzin, Diesel, Wasserstoff oder Methan zum Einsatz, als Oxidator insbesondere Luft. Der Arbeitskolben 20 begrenzt den Expansionsraum 32 mit einer Kolbenfläche.
Vorliegend ist an der Stirnseite der Expansionskammer 30 ein Einlass 34 und ein Auslass 36 angeordnet, an die in der Zeichnung nicht gezeigte Zuführ- beziehungsweise Abführleitungen angeschlossen sind. Über den Einlass 34 kann das Arbeitsmedium in die Expansionskammer 30 eingekoppelt werden. Über den Auslass 36 können Verbrennungsprodukte und unverbranntes Arbeitsmedium aus der Expansionskammer 30 abgeführt werden. Am Einlass 34 ist ein Ventil 38 angeordnet, und am Auslass 36 ist ein Ventil 40 angeordnet. Die Ventile 38, 40 stehen über in der Zeichnung nicht gezeigte Steuerleitungen mit einer nur in 1 gezeigten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 in Wirkverbindung. Unter Ansteuerung durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung lassen sich der Einlass 34 und der Auslass 36 mit den Ventilen 38, 40 gesteuert öffnen und sperren.
Weiter ist an der Expansionskammer 30, beispielsweise stirnseitig, eine Zündeinrichtung 44 angeordnet. Die Zündeinrichtung 44 ist über eine ebenfalls nicht gezeigte Steuerleitung mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 in Wirkverbindung. Durch entsprechende Ansteuerung kann die Zündeinrichtung 44 das Arbeitsmedium im Expansionsraum 32 zünden, woraufhin dieses verbrennt und den Arbeitskolben 20 und damit die Kolbeneinrichtung 16 antreibt.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 kann ferner insbesondere mit einer Mischeinrichtung zum Bereitstellen des Arbeitsmediums als Brennstoff-Oxidator-Gemisch und/oder einer Ladeeinrichtung (etwa einem Turbolader) zum Bereitstellen eines Volumenstroms und zur Drucksteigerung des Arbeitsmediums in Wirkverbindung stehen.
Bei der Freikolbenvorrichtung 10 ist es möglich, dass über die Steuerung- und/oder Regelungseinrichtung 42 und die Ventile 38, 40, die Zündeinrichtung 44, gegebenenfalls Gemischeinrichtung und die Ladeeinrichtung Arbeitstakte des Arbeitskolbens 20 gesteuert und/oder geregelt werden. Insbesondere ist es möglich, einen Arbeitszyklus des Arbeitskolbens 20 so zu steuern, dass dieser vier Arbeitstakte ausführt, der Arbeitskolben 20 und damit die Freikolbeneinrichtung 10 also im Viertaktverfahren betrieben wird: 1 zeigt den Arbeitskolben 20 zu Beginn des ersten Arbeitstaktes (Verbrennung). 2 zeigt den Arbeitskolben 20 zu Beginn des zweiten Arbeitstaktes (Ausstoßen). 3 zeigt den Arbeitskolben 20 zu Beginn des dritten Arbeitstaktes (Ansaugen). 4 zeigt den Arbeitskolben 20 zu Beginn des vierten Arbeitstaktes (Verdichten). Der entsprechende Arbeitstakt des Arbeitskolbens 20 ist auch ein Arbeitstakt der Freikolbenvorrichtung 10.
Der Freikolbenmotor 12 umfasst eine Rückfedereinrichtung 46, die vorliegend als Gasfedereinrichtung ausgestaltet ist. Die Rückfedereinrichtung 46 weist eine vor der Kolbenaufnahme 14 gebildete Rückfederkammer 48 auf, in der ein Rückfederraum 50 gebildet ist. Der Rückfederkolben 24 begrenzt mit einer Kolbenfläche den Rückfederraum 50, in dem ein kompressibles Gas aufgenommen ist. Der Rückfederkolben 24 kann das Gas komprimieren, um das Volumen des Rückfederraums 50 zu verkleinern. Umgekehrt kann das Gas expandieren, um das Volumen des Rückfederraums 50 zu vergrößern.
An der Rückfederkammer 48 ist ein Ein- und/oder Auslass 52 angeordnet, der mit einem Ventil 54 geöffnet und geschlossen werden kann. Das Ventil 54 steht über eine nicht gezeigte Steuerleitung mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 in Wirkverbindung. Gas kann dadurch gesteuert in den Rückfederraum 50 eingekoppelt und aus diesem abgelassen werden. Die vom Gas auf den Rückfederkolben 24 ausgeübte Kraft kann dadurch gesteuert und/oder geregelt werden. Dies ist im Betrieb der Freikolbenvorrichtung möglich.
Die Rückfedereinrichtung 46 kann doppeltwirkend sein. Beispielsweise kann sie ergänzend zum Gas ein mechanisches elastisches Element umfassen, beispielsweise in Gestalt einer Feder, die am Rückfederkolben 24 an dessen dem Rückfederraum 50 abgewandten Seite und an der Rückfederkammer 48 angreift. Es kann von der Rückfederkammer 48 auch ein weiterer Rückfederraum enthaltend ein kompressibles Gas gebildet sein. Dieser Rückfederraum kann an der dem Rückfederraum 50 abgewandten Seite des Rückfederkolbens 24 angeordnet sein und von diesem begrenzt sein.
Der Freikolbenmotor 12 umfasst ferner eine Energiekopplungseinrichtung 58, die vorliegend elektrisch ausgestaltet ist. Sie umfasst einen elektrischen Lineartrieb 60. Der Lineartrieb 60 umfasst eine Magnetanordnung 62, die alternierend gepolte Magnete aufweist und an der Kolbenstange 26 festgelegt ist. Ferner umfasst der Lineartrieb 60 eine Spulenanordnung 64, die gerätefest ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Spulenanordnung 64 an der Kolbenaufnahme 14 oder dem Gehäuse der Freikolbenvorrichtung 10 festgelegt, wobei, wie erwähnt, die Kolbenaufnahme 14 auch vom Gehäuse gebildet sein kann. Die Spulenanordnung 64 umfasst Spulen, die die Magnetanordnung 62 ringförmig umgeben.
Der Lineartrieb ist in an sich bekannter Weise über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Leitung elektrisch mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 gekoppelt. Dies erlaubt es, zum einen den Lineartrieb 60 anzusteuern, um den Arbeitspunkt des Freikolbenmotors 12 (auch in dessen Betrieb) einzustellen. Dabei kann den Lineartrieb 60 elektrische Energie zugeführt werden, die in mechanische kinetische Energie der Kolbeneinrichtung 16 gewandelt werden kann.
Umgekehrt kann mechanische kinetische Energie der Kolbeneinrichtung durch den Lineartrieb 60 in elektrische Energie gewandelt werden. Diese elektrische Energie kann in einem in der in der Zeichnung nicht gezeigten Energiespeicher gespeichert werden oder einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden.
Der Lineartrieb 60 ist am Rückfederkolben 24 angeordnet oder mit diesem gekoppelt. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass der Lineartrieb 60 zu derjenigen Seite der Getriebeeinrichtung 28 angeordnet ist, die dem Rückfederkolben 24 zugewandt ist. Weiter kann darunter vorliegend insbesondere verstanden werden, dass die Magnetanordnung 62 an der Kolbenstange 26 festgelegt ist. Bei einer Bewegung des Rückfederkolbens 24 legt sich dadurch auch die Magnetanordnung 62, insbesondere mit derselben Frequenz und in Phase mit diesem.
Der Rückfederkolben 24 bildet einen Rückfederkörper 51 der Rückfedereinrichtung 46.
Die bereits erwähnte Getriebeeinrichtung 28 koppelt den Arbeitskolben 20 mit dem Rückfederkolben 24 (wobei sie an deren Kolbenstangen 22, 26 angreift) so, dass diese relativ zueinander beweglich sind und sich mit unterschiedlicher Frequenz bewegen können. Dies erlaubt es insbesondere, die Freikolbenvorrichtung 10 hinsichtlich der Effizienz der Verbrennungsseite am Arbeitskolben 20 einerseits und der Effizienz der Rückfederseite am Rückfederkolben 24 anderseits getrennt voneinander zu optimieren. Ferner ist es möglich, die Freikolbenvorrichtung 10 über den Arbeitskolben 20 in einem Viertaktprozess zu betreiben, wohingegen sich der Rückfederkolben 24 nur in einem Zweitaktprozess bewegt. Dies wird nachfolgend erläutert.
Die Getriebeeinrichtung 28 ist bei der Freikolbenvorrichtung 10 mechanisch ausgestaltet, und die Getriebeeinrichtung 28 ist vom Arbeitskolben 20 und vom Rückfederkolben 24 antreibbar.
Die Getriebeeinrichtung 28 umfasst einen Abstandsänderungsmechanismus 66 zum Ändern des Abstandes des Arbeitskolbens 20 und des Rückfederkolbens 24 zueinander. Der Abstandsänderungsmechanismus 66 umfasst ein Scherengelenk 68 mit zwei um ein an der Achse 18 angeordnetes Drehgelenk 70 relativ zueinander schwenkbaren Gelenkgliedern 72 und 74. Die Gelenkglieder 72 können relativ zueinander von einer weniger gespreizten oder gestreckten Stellung in eine gespreiztere Stellung überführt werden, wobei der Arbeitskolben 20 vom Rückfederkolben 24 in der weniger gespreizten Stellung größer ist als in der gespreizteren Stellung. "Weniger gespreizt" bezieht sich vorliegend auf eine Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 20 längs der Achse 18. Der Spreizwinkel zwischen den Gelenkgliedern 72, 74 überstreicht dadurch die Achse 18.
Weiter umfasst die Getriebeeinrichtung 28 einen Verbindungsmechanismus mit zwei ersten Verbindungsgliedern 77, 78 und zwei zweiten Verbindungsgliedern 79, 80. Die Verbindungsglieder 77 und 78 sind an den Gelenkgliedern 72 beziehungsweise 74 über Drehgelenke 82 beziehungsweise 83 drehbar gelagert. Ihr jeweiliges gegenüberliegendes Ende ist über ein Drehgelenk 84 an der Kolbenstange 22 drehbar gelagert.
In entsprechender Weise sind die Verbindungsglieder 79, 80 an den gegenüberliegenden Enden der Gelenkglieder 74, 72 über Drehgelenke 85 beziehungsweise 86 drehbar gelagert. Die den Gelenkgliedern 72, 74 gegenüberliegenden Enden der Verbindungsglieder 79, 80 sind an der Kolbenstange 26 an einem gemeinsamen Drehgelenk 87 drehbar gelagert.
Die Verbindungsglieder 77 bis 80 sind beispielsweise als Streben ausgestaltet.
Die Getriebeeinrichtung 28 umfasst ferner einer Kopplungsmechanismus 90. Der Kopplungsmechanismus 90 umfasst zwei Kopplungsglieder 92, 93. Die Kopplungsglieder 92 und 93 sind drehbar an den Gelenkgliedern 74 beziehungsweise 72 gelagert. Vorliegend erfolgt die Lagerung insbesondere an den Drehgelenken 85 beziehungsweise 86, an denen auch die Verbindungsglieder 79 beziehungsweise 80 gelagert sind. Alternativ könnten separate Drehgelenke vorgesehen sein, oder auch eine Lagerung an den Drehgelenken 82 und 83 ist denkbar.
Die den Drehgelenken 85, 86 gegenüberliegenden Enden der Kopplungsglieder 92 und 93 sind drehbar aber gerätefest am Freikolbenmotor 10 gelagert. Unter "gerätefest am Freikolbenmotor" ist vorliegend insbesondere eine Lagerung der Kopplungsglieder 92, 93 am Gehäuse der Freikolbenvorrichtung 10 zu verstehen. Dies ist in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht im Einzelnen dargestellt. Es sind lediglich entsprechende Drehgelenke 94 für das Kopplungsglied 92 und 95 für das Kopplungsglied 93 gezeigt.
Über den Kopplungsmechanismus 90 ist der Abstandsänderungsmechanismus 66 beweglich längs der Achse 18 am Freikolbenmotor 10 gehalten. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 20 und des Rückfederkolbens 24 wird der Abstandsänderungsmechanismus 66 relativ zum Freikolbenmotor 12 (nachfolgend Gehäuse) bewegt. Aufgrund des Kopplungsmechanismus 90 ist der Abstandsänderungsmechanismus 66 insbesondere beweglich am Gehäuse festgelegt. Der Kopplungsmechanismus 90 bildet gewissermaßen eine Zwangsbedingung für den Abstandsänderungsmechanismus 66, aufgrund der Fixierung der Kopplungsglieder 92, 93 am Gehäuse einerseits und am Abstandsänderungsmechanismus 66 andererseits. Dies führt dazu, dass der Spreizwinkel zwischen den Gelenkgliedern 72 und 74 abhängt von der Position des Abstandsänderungsmechanismus 66 relativ zum Gehäuse. Bei einer Bewegung des Abstandsänderungsmechanismus 66 längs der Achse verdrehen die Kopplungsglieder 92, 93 um die Drehgelenke 94 beziehungsweise 95. Die Drehgelenke 85, 86 werden dadurch längs Kreisbahnen 96 beziehungsweise 97 verschwenkt. Dabei werden die Gelenkglieder 72, 74 relativ zueinander stärker oder weniger stark gespreizt. Dies hat zur Folge, dass abhängig von der Position des Abstandsänderungsmechanismus 66 der Abstand des Arbeitskolbens 20 vom Rückfederkolben 24 verändert wird. Der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 können dadurch eine Relativbewegung ausführen.
Insbesondere erlaubt die vorstehende Ausgestaltung der Getriebeeinrichtung 32, dass sich der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 mit unterschiedlicher Frequenz bewegen. "Frequenz" bezeichnet vorliegend insbesondere die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit, wobei als "Schwingung" das aufeinanderfolgende Durchlaufen von zwei oberen Totpunkten oder zwei unteren Totpunkten des Arbeitskolbens 20 beziehungsweise Rückfederkolbens 24 angesehen wird. Die oberen Totpunkte oder die unteren Totpunkte können sich dabei voneinander unterscheiden.
Im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 kann der Arbeitskolben 20 zu Beginn eines ersten Arbeitstaktes (Verbrennung; 1) einen oberen Totpunkt OTA,1 und der Rückfederkolben 24 einen unteren Totpunkt UTR einnehmen. Durch Verbrennung des Arbeitsmediums in der Expansionskammer 30 wird der Arbeitskolben 20 angetrieben und bewegt sich in Richtung des unteren Totpunkts UTA. Dabei wird die Getriebeeinrichtung 32 ebenfalls bewegt. Die Verbindungsglieder 77, 78 spreizen relativ zueinander, so dass auch das Scherengelenk 68 gespreizt wird. Ebenfalls werden die Verbindungsglieder 79, 80 relativ zueinander gespreizt.
Bei der Bewegung des Arbeitskolbens 20 wird der Rückfederkolben 24 angetrieben, dessen Abstand vom Arbeitskolben 20 sich jedoch durch die Spreizung des Scherengelenks 68 verringert. Über den Lineartrieb 60 kann elektrische Energie ausgekoppelt werden. Das Gas im Rückfederraum 50 wird verdichtet und kann dadurch Energie speichern.
Am Ende des ersten Arbeitstaktes ist ein Teil der ursprünglichen Energie noch als Bewegungsenergie in der Kolbeneinrichtung 16 vorhanden. Der Rückfederkolben 24 hat nur einen Teil des Weges vom unteren Totpunkt UTR zum oberen Totpunkt OTR zurückgelegt infolge der Abstandsverringerung zum Arbeitskolben 20.
Im zweiten Arbeitstakt (Ausstoßen; 2) kann die Bewegungsenergie in der Freikolbenvorrichtung 16 diese weiter bewegen, wodurch der Rückfederkolben 24 weiter in Richtung des oberen Totpunkt OTR bewegt wird. Infolgedessen bewegen sich auch die Kolbenstange 26 und die Verbindungsglieder 79, 80 ebenso wie das Scherengelenk 68 in dieselbe Richtung. Aufgrund der Kopplung durch die Kopplungsglieder 92, 93 wird die Spreizung des Scherengelenkes 68 verringert. Die Verbindungsglieder 77, 78 bewegen die Kolbenstange 22 und damit den Arbeitskolben 20 in Gegenrichtung vom unteren Totpunkt UTA in Richtung des oberen Totpunkts OTA,3.
Während des zweiten Arbeitstaktes kann mit dem Lineargenerator 60 ebenfalls Energie ausgekoppelt werden.
Den oberen Totpunkt OTA,3 nimmt der Arbeitskolben 20 zu Beginn des dritten Arbeitstakts ein. Dieser kann durch die Menge an Gas im Rückfederraum 50 auch im Betrieb des Freikolbenmotors 10 eingestellt werden, so dass sich gewissermaßen die "Härte" der Gasfedereinrichtung ändert. Darüber kann der obere Totpunkt OTR des Rückfederkolbens 24 und auf diese Weise auch der obere Totpunkt OTA,3 zu Beginn des dritten Arbeitstaktes eingestellt werden. Im Ergebnis erlaubt es dies, den Ausstoßhub des Freikolbenmotors 12 im Betrieb zu verändern. Dadurch kann zum Beispiel mehr Restgas im Expansionsraum 32 verbleiben, was sich vorteilhaft auf die Verbrennung des Arbeitsmediums auswirken kann. Außerdem kann die Taktzeit des dritten Arbeitstaktes verkürzt werden.
Zu Beginn des dritten Arbeitstaktes (Ansaugen; 3) ist das Scherengelenk 68 gestreckt, die Gelenkglieder 72, 74 also nur gering relativ zueinander gespreizt. Der Arbeitskolben 20 nimmt den oberen Totpunkt OTA,3 ein und der Rückfederkolben 24 den oberen Totpunkt OTR.
Im dritten Arbeitstakt wird die Kolbeneinrichtung 16 unter der Wirkung des komprimierten Gases im Rückfederraum bewegt, wobei sich der Rückfederkolben 24, die Kolbenstange 26, die Verbindungsglieder 79 und 80 und das Scherengelenk 68 in Richtung auf den Arbeitskolben 20 bewegt. Aufgrund der Kopplung des Scherengelenks 68 mit dem Gehäuse über die Kopplungsglieder 92, 93 wird das Scherengelenk 68 gespreizt. Dies hat zur Folge, dass die Verbindungsglieder 77, 78 wieder gespreizt werden, wodurch der Arbeitskolben 20 vom oberen Totpunkt OTA,3 in Richtung des unteren Totpunkts OTA bewegt wird.
Während des dritten Arbeitstaktes kann mit dem Lineartrieb 60 ebenfalls elektrische Energie ausgekoppelt werden.
Zu Beginn des vieren Arbeitstaktes (Verdichten; 4) hat sich der Rückfederkolben 24 nur teilweise vom oberen Totpunkt OTR zum unteren Totpunkt UTR bewegt, und der Arbeitskolben 20 nimmt den unteren Totpunkt UTA ein. Durch weitere Expansion des Gases im Rückfederraum 50 wird die Kolbeneinrichtung 16 weiter bewegt, wodurch der Rückfederkolben 24 zum unteren Totpunkt OTR und der Arbeitskolben 20 unter Streckung des Scherengelenks 68 in Richtung des oberen Totpunkts OTA,1 bewegt wird.
Auch im vierten Arbeitstakt kann mit dem Lineartrieb 60 elektrische Energie ausgekoppelt werden.
Vorliegend ist es möglich, durch Einstellung des unteren Totpunktes UTR des Rückfederkolbens 24 im Betrieb die Verdichtung des Arbeitsmediums im Expansionsraum 32 einzustellen. Über den unteren Totpunktes UTR wird infolge der Kopplung des Rückfederkolbens 24 mit dem Arbeitskolben 20 über die Getriebeeinrichtung 28 dessen oberer Totpunkt OTA,1 am Ende des vierten und zu Beginn des ersten Arbeitstaktes festgelegt.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 42 steuert die Ventile 38, 40 und die Zündeinrichtung 44 entsprechend den Arbeitstakten, nämlich sind die Ventile 38, 40 im ersten Arbeitstakt geschlossen und das Arbeitsmedium wird mit der Zündeinrichtung 44 gezündet. Im zweiten Arbeitstakt ist das Ventil 40 geöffnet, und restliches Arbeitsmedium und Verbrennungsprodukte können aus dem Expansionsraum 32 ausgestoßen werden. Im dritten Arbeitstakt ist das Ventil 38 geöffnet, damit Arbeitsmedium in den Expansionsraum 32 angesaugt werden kann. Während des vierten Arbeitstaktes sind beide Ventile 38, 40 geschlossen, das Arbeitsmedium kann verdichtet werden.
Vorstehende Erläuterung zeigt, dass sich infolge der Getriebeeinrichtung 28 der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 mit unterschiedlicher Frequenz bewegen können. Insbesondere ist die Frequenz des Arbeitskolbens 20 größer als die des Rückfederkolbens 24, nämlich doppelt so groß. Zugleich kann der Arbeitskolben 20 energetisch vorteilhaft einen Viertaktprozess ausführen. Der Rückfederkolben 24 kann energetisch vorteilhaft im Zweitaktbetrieb betrieben werden. Die Anordnung des Lineartriebs 60 am Rückfederkolben 24 erlaubt es, die Magnetanordnung 62 mit derselben Frequenz zu bewegen wie den Rückfederkolben 24. Dies bedeutet eine geringere Geschwindigkeit gegenüber derjenigen des Arbeitskolbens 20, so dass die Lagerung des Lineartriebs 60 vereinfacht wird. Darüber hinaus wird durch Ausüben eines Zweitaktprozesses auch beim Lineartrieb 60 die Anzahl durchlaufener oberer Totpunkte und unterer Totpunkte verringert. Dies ist günstig, da in den oberen und unteren Totpunkten die Leistungsauskopplung im Lineartrieb 60 ineffizient ist.
5 zeigt Weg-Zeit-Diagramme für den Arbeitskolben 20 anhand einer Kurve 98 und für den Rückfederkolben 24 anhand einer Kurve 100. Daraus wird insbesondere deutlich, dass die Getriebeeinrichtung 28 bei der Freikolbenvorrichtung 10 so ausgelegt ist, dass zunächst eine deutlich langsamere Beschleunigung des Rückfederkolbens 24 und der Magnetanordnung 62 im ersten Arbeitstakt erfolgt als beim Arbeitskolben 20, was vorteilhaft für die Lagerung des Lineartriebs 60 ist. Der Hub des Arbeitskolbens 20 und des Rückfederkolbens 24 ist nahezu gleich, abgesehen vom verringerten Ausstoßhub des Arbeitskolbens 20, auf den vorstehend eingegangen wurde. Der Ausstoßhub des Arbeitskolbens 20 kann identisch mit dem Verbrennungshub sein, wenn der obere Totpunkt OTA,3 gleich dem oberen Totpunkt OTA,1 ist.
Weiter wird aus 5 deutlich, dass die einzelnen Taktzeiten unterschiedlich lang sein können, der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 müssen also nicht notwendigerweise harmonische Schwingungen ausführen. Erkennbar ist eine kürzere Taktzeit für den ersten und vierten Arbeitstakt beim Arbeitskolben 20 im Vergleich zum zweiten und dritten Arbeitstakt. Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des oberen Totpunkts OTA,1 und OTA,3 beim Arbeitskolben 20 ist jedoch kürzer als zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen des oberen Totpunkts OTR des Rückfederkolbens 24, so dass von einer erhöhten Frequenz des Arbeitskolbens 20 gegenüber derjenigen des Rückfederkolbens 24 gesprochen werden kann.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine mit dem Bezugszeichen 110 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Die Freikolbenvorrichtung 10 und 110 sind weitgehend identisch, so dass nachfolgend nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen wird. Die mit der Freikolbenvorrichtung 10 erzielbaren Vorteile können mit der Freikolbenvorrichtung 110 ebenfalls erzielt werden. Bei gleichen und gleichwirkenden Bauteilen werden identische Bezugszeichen benutzt.
Bei der Freikolbenvorrichtung 110 sind die Drehgelenke 94 und 95 relativ zum Gehäuse der Freikolbenvorrichtung 10 beweglich ausgebildet. Zu diesem Zweck umfasst die Getriebeeinrichtung 28 einen Verstellmechanismus 112, der es erlaubt, Drehachsen 114, 115 der Drehgelenke 94 beziehungsweise 95 relativ zum Gehäuse zu verstellen. Der Verstellmechanismus 112 kann mechanisch, elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, servopneumatisch, piezoaktorisch oder auf andere Weise funktionieren. Beide Drehachsen 114, 115 können gemeinsam, synchron und gegengleich relativ zum Gehäuse bewegt werden.
Der Verstellmechanismus 112 umfasst zum Beispiel zwei um Drehachsen 116, 117 drehbare Zahnräder 118 beziehungsweise 119. Die Zahnräder 118 und 119 können miteinander kämmen und umfassen einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Exzenter, der bei einer Rotation der Zahnräder 118 und 119 die Drehachsen 116 und 117 verschiebt.
Infolgedessen ändert sich die Lage des Drehgelenkes 94, 95 am Gehäuse und damit die Kopplung des Scherengelenkes 68 mit dem Gehäuse. Dies gibt die Möglichkeit, über die Kopplungsglieder 92, 93 die Position des Scherengelenkes 68 bei dessen Bewegung einzustellen, insbesondere kann dadurch der untere Totpunkt UTA des Arbeitskolbens 20 und infolgedessen der Hub des Arbeitskolbens 20 eingestellt werden.
Denkbar ist, dass beide Drehgelenke 94, 95 auch unabhängig voneinander über getrennte Verstellmechanismen bewegt werden können.
Eine Bewegung der Drehgelenke 94, 95 kann insbesondere längs der Achse 18 oder quer zu dieser erfolgen.
Die 8 bis 11 zeigen eine weitere, mit dem Bezugszeichen 130 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Für gleiche und gleichwirkende Bezugszeichen der Freikolbenvorrichtung 10 und 130 werden identische Bezugszeichen benutzt. Die mit der Freikolbenvorrichtung 10 erzielbaren Vorteile können mit der Freikolbenvorrichtung 130 ebenfalls erzielt werden. Nachfolgend wird auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen.
Bei der Freikolbenvorrichtung 130 ist das Scherengelenk 68 anders ausgelegt als bei der Freikolbenvorrichtung 10. Insbesondere sind die Gelenkglieder 72, 74 länger ausgebildet. Unterschiedlich ausgelegt ist auch der Kopplungsmechanismus 90, bei dem die Kopplungsglieder 92, 93 länger sind als bei der Freikolbenvorrichtung 10.
Zudem sind beide Kopplungsglieder 92, 93 an einem gemeinsamen Drehgelenk 132 am Gehäuse schwenkbar gelagert. Eine gemeinsame Lagerung der Kopplungsglieder 92, 93 ist auch bei der Freikolbenvorrichtung 10 denkbar.
Auch bei der Freikolbenvorrichtung 130 kann ein Verstellmechanismus, beispielsweise der Verstellmechanismus 112, vorgesehen sein, um das Drehgelenk 132 zu bewegen und insbesondere den Hub des Arbeitskolbens 20 zu verändern.
Bei der Freikolbenvorrichtung 130 ist das Drehgelenk 132 zu Beginn des ersten Arbeitstaktes (Verbrennung; 8) auf gleicher Höhe angeordnet wie die Drehgelenke 85 und 86, über die die Kopplungsglieder 92, 93 an den Gelenkgliedern 74 beziehungsweise 72 schwenkbar gelagert sind. "Auf gleicher Höhe" bedeutet vorliegend, dass, bezogen auf die Achse 18, der Abstand der Drehgelenke 132, 85 und 86 vom Arbeitskolben 20 gleich ist.
Diese Lage der Drehgelenke 94, 95, 132 und die unterschiedliche Länge der Kopplungsglieder 92, 93 und der Gelenkglieder 72, 74 erlaubt es, den Hub des Rückfederkolbens 24 gegenüber dem Hub des Arbeitskolbens 20 deutlich zu vergrößern im Vergleich zur Freikolbenvorrichtung 10. Dies ist im Weg-Zeit-Diagramm von 12 anhand der Kurven 98 für den Arbeitskolben 20 und 100 für den Rückfederkolben 24 deutlich zu erkennen. Zu Beginn des Verbrennungstaktes beschleunigen der Arbeitskolben 20 und der Rückfederkolben 24 ungefähr gleich schnell. Durch die Auslegung der Getriebeeinrichtung 28 kann ein Hub des Rückfederkolbens 24 erzielt werden, der mehr als drei Mal so groß ist wie der Hub des Arbeitskolbens 20. Insoweit sind die 8 bis 11 auf der Seite der Rückfedereinrichtung 46 nicht maßstäblich gezeichnet. Durch den großen Hub des Rückfederkolbens 24 kann die Magnetanordnung 62 ebenfalls einen großen Weg zurücklegen, so dass eine effiziente Energieauskopplung durch den Lineartrieb 60 erzielt werden kann.
13 zeigt noch beispielhaft ein Weg-Zeit-Diagramm für eine in der Zeichnung nicht dargestellte weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Bei dieser kann durch entsprechende Auslegung des Scherengelenks 68 und des Kopplungsmechanismus 90 ein Hub des Rückfederkolbens 24 erzielt werden, der geringer ist als derjenige des Arbeitskolbens 20 (bezogen auf den Verbrennungshub). Beispielsweise können die Längen der Gelenkglieder 72, 74, der Kopplungsglieder 92 und 93 und/oder die Lage der Drehgelenke 85, 86 sowie 95, 96 oder 132 variiert werden.
Dies zeigt, dass je nach Auslegung der Getriebeeinrichtung 28, insbesondere des Scherengelenks 68 und des Kopplungsmechanismus 90, bedarfsgerecht der Hub des Arbeitskolbens 20 und des Rückfederkolbens 24 aneinander angepasst werden können.
In allen Fällen ist es möglich, den Arbeitskolben 20 und den Rückfederkolben 24 mit unterschiedlichen Frequenzen zu bewegen, wobei insbesondere der Arbeitskolben 20 im Viertaktbetrieb und der Rückfederkolben 24 im Zweitaktbetrieb betrieben werden kann. Im Ergebnis können damit Freikolbenvorrichtungen mit höherem Wirkungsgrad und/oder niedrigeren Emissionswerten als bei herkömmlichen Freikolbenvorrichtungen umgesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Freikolbenvorrichtung
12: Freikolbenmotor
14: Kolbenaufnahme
16: Kolbeneinrichtung
18: Achse
20: Arbeitskolben
22: Kolbentragelement
24: Rückfederkolben
26: Kolbentragelement
28: Getriebeeinrichtung
30: Expansionskammer
32: Expansionsraum
34: Einlass
36: Auslass
38: Ventil
40: Ventil
42: Steuerungs- u./oder Regelungseinrichtung
44: Zündeinrichtung
46: Rückfedereinrichtung
48: Rückfederkammer
50: Rückfederraum
51: Rückfederkörper
52: Ein-/Auslass
54: Ventil
58: Energiekopplungseinrichtung
60: Lineartrieb
62: Magnetanordnung
64: Spulenanordnung
66: Abstandsänderungsmechanismus
68: Scherengelenk
70: Drehgelenk
72: Gelenkglied
74: Gelenkglied
76: Verbindungsmechanismus
77: 1. Verbindungsglied
78: 1. Verbindungsglied
79: 2. Verbindungsglied
80: 2. Verbindungsglied
82: Drehgelenk
83: Drehgelenk
84: Drehgelenk
85: Drehgelenk
86: Drehgelenk
87: Drehgelenk
90: Kopplungsmechanismus
92: Kopplungsglied
93: Kopplungsglied
94: Drehgelenk
95: Drehgelenk
96: Kreisbahn
97: Kreisbahn
98: Kurve
100: Kurve
110: Freikolbenvorrichtung
112: Verstellmechanismus
114: Drehachse
115: Drehachse
116: Drehachse
117: Drehachse
118: Zahnrad
119: Zahnrad
130: Freikolbenvorrichtung
132: Drehgelenk

Claims

Freikolbenvorrichtung, umfassend einen Freikolbenmotor (12), der eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung (16) und eine Kolbenaufnahme (14) umfasst, wobei die Kolbenaufnahme (14) eine einen Expansionsraum (32) bildende Expansionskammer (30) und die Kolbeneinrichtung (16) einen den Expansionsraum (32) begrenzenden Arbeitskolben (20) aufweist, welcher Freikolbenmotor (12) ferner eine Rückfedereinrichtung (46) mit einem Rückfederkörper (51) zum Bereitstellen einer Rückfederkraft für die Kolbeneinrichtung (16) umfasst, und wobei der Arbeitskolben (20) und der Rückfederkörper (51) zwischen oberen Totpunkten und unteren Totpunkten der Bewegung hin- und herbewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (12) eine Getriebeeinrichtung (28) umfasst, über die der Arbeitskolben (20) mit dem Rückfederkörper (51) in Wirkverbindung steht zum Bereitstellen einer Relativbewegung des Arbeitskolbens (20) und des Rückfederkörpers (51), wobei sich die Frequenz des Arbeitskolbens (20) und die Frequenz des Rückfederkörpers (51) voneinander unterscheiden.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Rückfederkörpers (51) geringer ist als die Frequenz des Arbeitskolbens (20).
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Frequenzen des Arbeitskolbens (20) und der Frequenz des Rückfederkörpers (51) ganzzahlig ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10; 110; 130) eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (42) umfasst zum Steuern und/oder Regeln von Arbeitstakten des Arbeitskolbens (20).
Freikolbeneinrichtung (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (42) ein Viertaktbetrieb des Arbeitskolbens (20) steuerbar und/oder regelbar ist, und über die Getriebeeinrichtung (28) mit dem Rückfederkörper (51) ein Zweitaktbetrieb ausführbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (42) zum Steuern und/oder Regeln der Arbeitstakte des Arbeitskolbens (20) mit mindestens einem der Folgenden in Wirkverbindung steht: – einer an der Expansionskammer (30) angeordneten Ventileinrichtung (38, 40); – einer an der Expansionskammer (30) angeordneten Zündeinrichtung (44); – einer an der Expansionskammer (30) angeordneten Einspritzeinrichtung; – einer Mischeinrichtung zum Bereitstellen des Arbeitsmediums als Brennstoff-Oxidator-Gemisch; – einer Ladeeinrichtung zum Bereitstellen eines Volumenstroms des Arbeitsmediums.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolbenmotor (12) eine Energiekopplungseinrichtung (58) umfasst zum Aus- und/oder Einkoppeln von Energie aus der bzw. in die mindestens eine Kolbeneinrichtung (16).
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtung (58) einen elektrischen Lineartrieb (60) umfasst mit einer Spulenanordnung (64) und einer relativ dazu beweglichen Magnetanordnung (62).
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (62) an einem den Rückfederkörper (51) tragenden Tragelement (26) festgelegt ist, insbesondere an einer Kolbenstange (26), und dass die Spulenanordnung (64) ortsfest zur Kolbenaufnahme (14) angeordnet ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Kolbeneinrichtung (16) mittels der Energiekopplungseinrichtung (58) im Betrieb der Freikolbenvorrichtung (10; 110; 130) steuerbar und/oder regelbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (28) von der Kolbeneinrichtung (16) antreibbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (28) einen Abstandsänderungsmechanismus (66) umfasst, über den der Abstand des Arbeitskolbens (20) und des Rückfederkörpers (51) im Betrieb der Freikolbenvorrichtung (10; 110; 130) veränderbar ist, einen Verbindungsmechanismus (76) zum Verbinden des Arbeitskolbens (20) und des Rückfederkörpers (51) mit dem Abstandsänderungsmechanismus (66) und einen Kopplungsmechanismus (90), über den der Abstandsänderungsmechanismus (66) gerätefest am Freikolbenmotor (12) gehalten ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsänderungsmechanismus (66) über den Kopplungsmechanismus (90) gerätefest am Freikolbenmotor (12) beweglich in Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (20) gehalten ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Arbeitskolbens (20) und des Rückfederkörpers (51) voneinander abhängig ist von einer Position des Abstandsänderungsmechanismus (66).
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsänderungsmechanismus (66) ein Scherengelenk (68) umfasst oder ausbildet mit zwei relativ zueinander spreizbaren Gelenkgliedern (72, 74), wobei die Gelenkglieder (72, 74), bezogen auf eine Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (20), von einer weniger gespreizten Stellung in eine gespreiztere Stellung und umgekehrt überführbar sind und der Abstand des Arbeitskolbens (20) vom Rückfederkörper (51) in der weniger gespreizten Stellung größer ist als in der gespreizteren Stellung.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Spreizwinkel zwischen den Gelenkgliedern (72, 74) abhängig ist von der Position des Scherengelenkes (68).
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsmechanismus (90) mindestens ein Kopplungsglied (92, 93) umfasst, das über mindestens ein erstes Gelenk (85, 86) am Abstandsänderungsmechanismus (66) und über mindestens ein zweites Gelenk (94, 95; 132) gerätefest am Freikolbenmotor (12) gelagert ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kopplungsglied (92, 93) drehbar am Abstandsänderungsmechanismus (66) und drehbar gerätefest am Freikolbenmotor (12) gelagert ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kopplungsglieder (92, 93) vorgesehen sind, über die der Abstandsänderungsmechanismus (66) beweglich gerätefest am Freikolbenmotor (12) gelagert ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinrichtung (28) einen Verstellmechanismus (112) umfasst, über den das mindestens eine zweite Gelenk (94, 95; 132) positionsveränderlich am Freikolbenmotor (12) gehalten ist, insbesondere längs einer und/oder quer zu einer Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (20).
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein von zwei Kopplungsgliedern (92, 93), die über jeweils ein zweites Gelenk (94, 95) gelagert sind, über den Verstellmechanismus (112) beide zweiten Gelenke (94, 95) gemeinsam verstellbar sind.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Bewegung des mindestens einen zweiten Gelenkes (94, 95; 132) der Hub des Arbeitskolbens (20) veränderbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Gelenk (94, 95; 132), bezogen auf die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (20), weiter vom Arbeitskolben (20) beabstandet ist als das mindestens eine erste Gelenk (85, 86), wenn der Arbeitskolben (20) von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt der Bewegung und der Rückfederkörper (51) von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt der Bewegung bewegt wird.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Gelenk (94, 95; 132), bezogen auf die Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens (20), gleich weit oder weniger weit vom Arbeitskolben (20) beabstandet ist als das mindestens eine erste Gelenk (85, 86), wenn der Arbeitskolben (20) von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt der Bewegung und der Rückfederkörper (51) von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt der Bewegung bewegt wird.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsmechanismus (76) mindestens ein erstes Verbindungsglied (77, 78) umfasst, über das der Arbeitskolben (20) oder ein mit diesem verbundenes Kolbentragelement (22) gelenkig mit dem Abstandsänderungsmechanismus (66) verbunden ist, sowie mindestens ein zweites Verbindungsglied (79, 80) umfasst, über das der Rückfederkörper (51) oder ein mit diesem verbundenes Tragelement (26) gelenkig mit dem Abstandsänderungsmechanismus (66) verbunden ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsmechanismus (76) zwei erste Verbindungsglieder (77, 78) umfasst, die am Arbeitskolben (20) oder an dem mit diesem verbundenen Kolbentragelement (22) drehbar gelagert sind und die am Abstandsänderungsmechanismus (66) drehbar gelagert sind, und/oder dass der Verbindungsmechanismus (76) zwei zweite Verbindungsglieder (79, 80) umfasst, die am Rückfederkörper (51) oder an dem mit diesem verbundenen Tragelement (26) drehbar gelagert sind und die am Abstandsänderungsmechanismus (66) drehbar gelagert sind.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 25 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verbindungsglieder (77, 78) an je einem der Gelenkglieder (72, 74) des Scherengelenks (68) drehbar gelagert sind und/oder dass die zweiten Verbindungsglieder (79, 80) an je einem der Gelenkglieder (72, 74) des Scherengelenks (68) drehbar gelagert sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27 und nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Verbindungsglied (77, 78) und das mindestens eine Kopplungsglied (92, 93) und/oder das mindestens eine zweite Verbindungsglied (79, 80) und das mindestens eine Kopplungsglied (92, 93) am mindestens einen ersten Gelenk (85, 86) mit dem Abstandsänderungsmechanismus (66) verbunden sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfedereinrichtung (46) mindestens eine Gasfedereinrichtung umfasst oder ausbildet, wobei die Kolbenaufnahme (14) eine Rückfederkammer (48) aufweist, in der ein Rückfederraum (50) gebildet ist, und dass die Kolbeneinrichtung (16) einen den Rückfederkörper (51) bildenden Rückfederkolben (24) umfasst, der den Rückfederraum (50) begrenzt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Rückfedereinrichtung (46) ausgeübte Rückfederkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung (10; 110; 130) steuerbar und/oder regelbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Totpunkt der Bewegung des Rückfederkolbens (24) einstellbar ist, insbesondere bei Betrieb des Arbeitskolbens (20) in einem Viertaktbetrieb und des Rückfederkolbens (24) in einem Zweitaktbetrieb.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Totpunkt der Bewegung des Rückfederkolbens (24) einstellbar ist, insbesondere bei Betrieb des Arbeitskolbens (20) in einem Viertaktbetrieb und des Rückfederkolbens (24) in einem Zweitaktbetrieb.