DE102013106792A1 - Free piston device and method for operating a free piston device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor, der mindestens eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung und eine Kolbenaufnahme umfasst. Die Kolbenaufnahme weist Expansionskammern und von diesen gebildete Expansionsräume auf, die von Arbeitskolben der Kolbeneinrichtung begrenzt werden. Der Freikolbenmotor umfasst eine Rückfedereinrichtung zum Bereitstellen einer Rückfederkraft für die Kolbeneinrichtung. Eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ermöglicht das Steuern und/oder Regeln von Arbeitstakten der Arbeitskolben. Die Arbeitskolben sind mechanisch miteinander gekoppelt zum Bereitstellen einer Bewegung eines Arbeitskolbens in Abhängigkeit einer Bewegung des jeweils anderen Arbeitskolbens. Mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ist ein Viertaktbetrieb beider Arbeitskolben steuerbar- und/oder regelbar, wobei die Arbeitstakte der Arbeitskolben um zwei Arbeitstakte des Viertaktbetriebes zeitversetzt sind. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung.The invention relates to a free piston device, comprising at least one free piston engine, which comprises at least one linearly movable piston device and a piston receptacle. The piston receptacle has expansion chambers and expansion spaces formed by them, which are delimited by working pistons of the piston device. The free-piston engine comprises a spring-back device for providing a spring-back force for the piston device. A control and / or regulating device enables the control and / or regulation of work cycles of the working pistons. The working pistons are mechanically coupled to one another to provide a movement of a working piston as a function of a movement of the other working piston. With the control and / or regulating device, a four-stroke operation of both working pistons can be controlled and / or regulated, the working strokes of the working pistons being delayed by two working strokes of the four-stroke operation. The invention also relates to a method for operating a free piston device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor, der mindestens eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung und eine Kolbenaufnahme umfasst, wobei die Kolbenaufnahme eine einen ersten Expansionsraum bildende erste Expansionskammer und eine einen zweiten Expansionsraum bildende zweite Expansionskammer zur jeweiligen Expansion eines Arbeitsmediums aufweist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung einen den ersten Expansionsraum begrenzenden ersten Arbeitskolben und einen den zweiten Expansionsraum begrenzenden zweiten Arbeitskolben aufweist, wobei der Freikolbenmotor ferner eine Rückfedereinrichtung zum Bereitstellen einer Rückfederkraft für die mindestens eine Kolbeneinrichtung umfasst und wobei die Freikolbenvorrichtung eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung umfasst zum Steuern und/oder Regeln von Arbeitstakten des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens.The invention relates to a free-piston device, comprising at least one free-piston engine comprising at least one linearly movable piston device and a piston receptacle, the piston receptacle having a first expansion chamber forming a first expansion chamber and a second expansion space forming the second expansion chamber for respective expansion of a working medium, wherein the at least a piston device having a first expansion chamber limiting the first working piston and the second expansion space limiting second working piston, the free piston engine further comprises a return spring means for providing a return spring force for the at least one piston device and wherein the free piston device comprises a control and / or regulating device for controlling and / or rules of power strokes of the first working piston and the second working piston.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung.Moreover, the invention relates to a method for operating a free-piston device.
Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der
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 nachteilhaft 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 einstellbar ist.Normally, free-piston devices are operated in a two-stroke process, but this entails disadvantages. For a reliable flushing of the expansion space with working medium, an overpressure of the incoming working medium is required, which is why in practice a compressor or a charging device is used. However, this requires a higher technical and energy costs. It also proves to be disadvantageous that the charge change in the second power stroke must take place within a short period of time, which is disturbing especially at high operating frequencies of the free piston device. This can undesirably remain high residual amounts of unburned working medium in the expansion space. This affects the performance of the free-piston engine whose operating point is not optimally adjustable.
Um die vorstehenden Nachteile zu beheben ist es auch bekannt, Freikolbenvorrichtungen in einem Viertaktprozess zu betreiben, wie dies beispielsweise in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der ein höherer Wirkungsgrad erzielbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Freikolbenvorrichtung bereitzustellen.Object of the present invention is to provide a free-piston device of the type mentioned, with a higher efficiency can be achieved, and to provide a method for operating such a free-piston device.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben miteinander mechanisch gekoppelt sind zum Bereitstellen einer Bewegung eines Arbeitskolbens in Abhängigkeit einer Bewegung des jeweils anderen Arbeitskolbens und dass mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ein Viertaktbetrieb des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens steuerbar und/oder regelbar ist, wobei die Arbeitstakte des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens um zwei Arbeitstakte des Viertaktbetriebes zeitversetzt sind.This object is achieved in a generic free piston device according to the invention in that the first piston and the second working piston are mechanically coupled to each other to provide movement of a working piston in response to movement of the other working piston and that with the control and / or regulating device a four-stroke operation of first working piston and the second working piston can be controlled and / or regulated, wherein the working cycles of the first working piston and the second working piston are time-delayed by two power strokes of the four-stroke operation.
"Um zwei Arbeitstakte zeitversetzt" kann vorliegend insbesondere so verstanden werden, dass der Arbeitstakt eines Arbeitskolbens dem Arbeitstakt des jeweils anderen Arbeitskolbens zwei Takte nachläuft oder zwei Takte vorauseilt. Dadurch können sich die Arbeitstakte der Arbeitskolben um zwei Arbeitstakte des Viertaktbetriebes unterscheiden. Beispielsweise kann ein Arbeitskolben den ersten Arbeitstakt und der weitere Arbeitskolben den dritten Arbeitstakt ausführen und umgekehrt, und ein Arbeitskolben kann den zweiten Arbeitstakt und der andere Arbeitskolben den vierten Arbeitstakt ausführen und umgekehrt. Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist vorgesehen, dass die Arbeitskolben miteinander mechanisch gekoppelt sind, die Freikolbenvorrichtung gewissermaßen eine mechanische Kopplungseinrichtung zum Koppeln der Arbeitskolben miteinander umfasst. Durch die Bewegung eines Arbeitskolbens kann durch die mechanische Kopplung eine Bewegung des jeweils anderen Arbeitskolbens bewirkt werden. Da die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung den Betrieb jedes Arbeitskolbens in einem Viertaktprozess steuern und/oder regeln kann, ist dadurch die Möglichkeit gegeben, die Freikolbenvorrichtung insgesamt energetisch und in Bezug auf die Schadstoffemissionen vorteilhaft in einem Viertaktverfahren zu betreiben. Führt ein Arbeitskolben den Arbeitstakt aus, führt die mechanische Kopplung dazu, dass der jeweils andere Arbeitskolben im Ansaugtakt gleichzeitig bewegt wird. In entsprechender Weise kann eine gekoppelte Bewegung erfolgen, bei der ein Arbeitskolben den Ausstoßtakt ausführt und der andere Arbeitskolben den Verdichtungstakt. Im Gegensatz zum eingangs erläuterten Stand der Technik ist es insbesondere nicht erforderlich, den Viertaktprozess unter Einsatz einer Energiekopplungseinrichtung aufrecht zu erhalten. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Arbeitspunkt beider Arbeitskolben aus und damit der Freikolbenvorrichtung insgesamt, mit der auf diese Weise ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann."Time-shifted by two work cycles" can in this case be understood in particular as meaning that the working cycle of one working piston follows the working cycle of the respective other working piston for two cycles or leads two cycles. As a result, the working cycles of the working piston can differ by two power strokes of the four-stroke operation. For example, a working piston, the first power stroke and the other working piston perform the third power stroke and vice versa, and a working piston, the second power stroke and the other working piston perform the fourth power stroke and vice versa. In the free-piston device according to the invention, it is provided that the working pistons are mechanically coupled to one another, the free-piston device, as it were, comprises a mechanical coupling device for coupling the working pistons to one another. By the movement of a working piston, a movement of the respective other working piston can be effected by the mechanical coupling. Since the control and / or regulating device can control and / or regulate the operation of each working piston in a four-stroke process, this gives rise to the possibility of operating the free-piston device as a whole energetically and advantageously with respect to the pollutant emissions in a four-stroke process. If a working piston executes the power stroke, the mechanical coupling causes the other working piston to move simultaneously in the intake stroke. In a corresponding manner, a coupled movement can take place, in which one working piston executes the ejection stroke and the other working piston carries out the compression stroke. In contrast to the prior art explained in the introduction, in particular it is not necessary to maintain the four-stroke process using an energy coupling device. This has an advantageous effect on the operating point of both working pistons and thus of the free piston device as a whole, with which a higher efficiency can be achieved in this way.
Die Arbeitstakte der beiden Arbeitskolben können insbesondere dieselbe jeweilige Dauer aufweisen.The working cycles of the two working pistons may in particular have the same respective duration.
Günstig ist es, wenn die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Arbeitstakte des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens mit einer an der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordneten Ventileinrichtung in Wirkverbindung steht. Die Ventileinrichtung umfasst beispielsweise mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil an jeder Expansionskammer, über die das Arbeitsmedium in den Expansionsraum eingelassen beziehungsweise aus diesem ausgelassen werden kann. It is advantageous if the control and / or regulating device for controlling and / or regulating the working cycles of the first working piston and the second working piston is in operative connection with a valve device arranged on the first expansion chamber and / or the second expansion chamber. The valve device comprises, for example, at least one inlet valve and at least one outlet valve at each expansion chamber, via which the working medium can be admitted into the expansion space or can be discharged therefrom.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann vorteilhafterweise mit einer an der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordneten Zündeinrichtung in Wirkverbindung stehen, mit der das Arbeitsmedium im ersten Expansionsraum beziehungsweise zweiten Expansionsraum gezündet werden kann.The control and / or regulating device can advantageously be in operative connection with an ignition device arranged on the first expansion chamber and / or the second expansion chamber, with which the working medium can be ignited in the first expansion space or second expansion space.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann auch mit einer an der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordneten Einspritzeinrichtung in Wirkverbindung stehen, über welche das Arbeitsmedium direkt in den Expansionsraum eingespritzt wird.The control and / or regulating device can also be in operative connection with an injection device arranged at the first expansion chamber and / or the second expansion chamber, via which the working medium is injected directly into the expansion space.
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.The control and / or regulating device can also be in operative connection with a mixing device for providing the working medium as a fuel-oxidizer mixture, so that the mixing ratio can be controlled and / or regulated.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann auch mit einer Ladeeinrichtung, beispielsweise einem Turbolader, zum Bereitstellen eines Volumenstroms des Arbeitsmediums oder dessen Druckerhöhung in Wirkverbindung stehen.The control and / or regulating device can also be in operative connection with a charging device, for example a turbocharger, for providing a volumetric flow of the working medium or its pressure increase.
Von Vorteil ist es, wenn der Hub des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens gleich ist und/oder wenn der Hub des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens steuerbar und/oder regelbar ist. Beispielsweise ist eine Steuerung und/oder Regelung des Hubs im Betrieb der Freikolbenvorrichtung möglich. Hierzu kann zum Beispiel ein elektrischer Lineargenerator (Lineartrieb) eingesetzt werden.It is advantageous if the stroke of the first working piston and the second working piston is the same and / or if the stroke of the first working piston and the second working piston is controllable and / or controllable. For example, a control and / or regulation of the stroke during operation of the free-piston device is possible. For this purpose, for example, an electric linear generator (linear drive) can be used.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben von einem jeweiligen oberen Totpunkt zu einem jeweiligen unteren Totpunkt bewegbar, und die Lage des jeweiligen oberen Totpunkts und/oder des jeweiligen unteren Totpunkts ist, vorzugsweise im Betrieb der Freikolbenvorrichtung, steuerbar und/oder regelbar. Auch zu diesem Zweck kann beispielsweise ein elektrischer Lineartrieb eingesetzt werden.In a structurally simple embodiment, the first working piston and the second working piston is movable from a respective top dead center to a respective bottom dead center, and the position of the respective top dead center and / or the respective bottom dead center is, preferably in operation of the free piston device, controllable and / or controllable. For this purpose, for example, an electric linear drive can be used.
Günstig ist es, wenn die mindestens eine Kolbeneinrichtung eine Kopplungseinrichtung umfasst oder ausbildet zum Koppeln des ersten Arbeitskolbens mit dem zweiten Arbeitskolben. Dadurch kann eine konstruktiv einfache Ausgestaltung erzielt werden, bei der die Kopplungseinrichtung Bestandteil der mindestens einen Kolbeneinrichtung ist und sich zusammen mit dieser bewegen kann.It is advantageous if the at least one piston device comprises or forms a coupling device for coupling the first working piston to the second working piston. As a result, a structurally simple embodiment can be achieved in which the coupling device is part of the at least one piston device and can move together with it.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn die Expansionskammern und die darin angeordneten Arbeitskolben seitlich nebeneinander angeordnet sind und der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben vorzugsweise parallel zueinander beweglich sind. Bei konstruktiv einfacher Ausgestaltung kann dadurch eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung erzielt werden.In an advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention, it is advantageous if the expansion chambers and the working piston arranged therein are arranged side by side and the first working piston and the second working piston are preferably movable parallel to one another. With a structurally simple design, a compact design of the free-piston device can be achieved.
Vorzugsweise sind der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben starr miteinander gekoppelt. Darunter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass der erste und der zweite Arbeitskolben relativ zueinander unbeweglich sind, unabhängig vom Arbeitstakt jedes Arbeitskolbens. Die starre Kopplung ermöglicht eine konstruktiv einfache Ausgestaltung und einen zuverlässigen Betrieb der Freikolbenvorrichtung. Preferably, the first piston and the second piston are rigidly coupled together. In the present case, this can be understood in particular to mean that the first and second working pistons are immovable relative to one another, independently of the working stroke of each working piston. The rigid coupling allows a structurally simple design and reliable operation of the free-piston device.
Günstig ist es, wenn am ersten Arbeitskolben und am zweiten Arbeitskolben festgelegte Kolbentragelemente über ein Kopplungselement fest miteinander verbunden sind. Die Kolbentragelemente sind beispielsweise an den Arbeitskolben festgelegte Kolbenstangen, die an ihren den Arbeitskolben gegenüberliegenden Seiten über das Kopplungselement fest verbunden sind, so dass auch eine feste Verbindung der Arbeitskolben miteinander erzielt werden kann. Das Kopplungselement ist beispielsweise quer zu einer Achse der Freikolbenvorrichtung, längs derer die mindestens eine Kolbeneinrichtung beweglich ist, ausgerichtet. Die Arbeitskolben können sich synchron axial und damit parallel zueinander unter der Kopplung durch das Kopplungselement bewegen. It is advantageous if piston support elements fixed to the first working piston and the second working piston are firmly connected to one another via a coupling element. The piston bearing elements are, for example, fixed to the piston working piston rods, which are fixedly connected at their opposite sides of the working piston via the coupling element, so that a firm connection of the working piston can be achieved with each other. The coupling element is, for example, aligned transversely to an axis of the free-piston device, along which the at least one piston device is movable. The working piston can move synchronously axially and thus parallel to each other under the coupling by the coupling element.
Von Vorteil ist, wenn die mindestens eine Kolbeneinrichtung einen Rückfederkolben umfasst, der über ein weiteres Kolbentragelement an einer dem ersten Arbeitskolben und dem zweiten Arbeitskolben gegenüberliegenden Seite am Kopplungselement festgelegt ist, wobei der Rückfederkolben einen Rückfederraum der Rückfedereinrichtung begrenzt. Die Rückfedereinrichtung, darauf wird nachfolgend noch eingegangen, kann einen von einem Rückfederkolben begrenzten Rückfederraum umfassen. Der Rückfederkolben kann über ein weiteres Kolbentragelement, insbesondere in Gestalt einer Kolbenstange, am Kopplungselement festgelegt sein. Dies gibt die Möglichkeit, eine Rückfederkraft zugleich auf den ersten Arbeitskolben und den zweiten Arbeitskolben auszuüben. Ferner kann eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung erzielt werden.It is advantageous if the at least one piston device comprises a return spring piston which is fixed on a further piston supporting element on a side opposite the first working piston and the second working piston on the coupling element, wherein the return spring piston limits a resilience space of the return spring device. The return spring means, which will be discussed in more detail below, may comprise a springback bounded by a return spring piston. The return spring piston can be fixed on the coupling element via a further piston-carrying element, in particular in the form of a piston rod. This gives the possibility to exert a spring-back force on the first working piston and the second working piston at the same time. Furthermore, a compact design of the free-piston device can be achieved.
Von Vorteil ist es, wenn das weitere Kolbentragelement, bezogen auf eine von der Freikolbenvorrichtung definierte Achse, mittig zwischen dem ersten Arbeitskolben und dem zweiten Arbeitskolben angeordnet ist. Dadurch kann die Masse bewegter Bauteile gleichmäßiger verteilt werden. Die Anforderungen an die mechanische Beanspruchbarkeit der Komponenten der Freikolbenvorrichtung kann verringert werden. Idealerweise wird ein gleichmäßigerer und ruhigerer Lauf der Freikolbenvorrichtung ermöglicht.It is advantageous if the further piston-carrying element, based on an axis defined by the free-piston device, is arranged centrally between the first working piston and the second working piston. This allows the mass of moving components to be distributed more evenly. The requirements on the mechanical strength of the components of the free-piston device can be reduced. Ideally, a smoother and smoother running of the free piston device is made possible.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben beweglich miteinander gekoppelt und relativ zueinander beweglich sind. In a further advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention, it is favorable if the first working piston and the second working piston are movably coupled to one another and are movable relative to one another.
Beispielsweise ist es günstig, wenn die mindestens eine Kolbeneinrichtung einen den ersten Arbeitskolben aufweisenden ersten Abschnitt und einen den zweiten Arbeitskolben aufweisenden zweiten Abschnitt umfasst, die jeweils längs einer Achse der Freikolbenvorrichtung beweglich sind, und wenn die Abschnitte unter Steuerung und/oder Regelung der Arbeitstakte der Arbeitskolben relativ zueinander gegengleich bewegbar sind. Der erste und der zweite Abschnitt umfassen bevorzugt jeweils einen Arbeitskolben und ein daran festgelegtes Kolbentragelement, beispielsweise in Gestalt einer Kolbenstange. Die Abschnitte sind koaxial zueinander ausgerichtet und können sich bei Ansteuerung der Arbeitstakte der Arbeitskolben mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung axial gegengleich (antiparallel) bewegen, wobei sie axial voneinander beabstandet sind. Die Arbeitskolben sind bei dieser Ausführungsform beweglich miteinander gekoppelt, wobei durch eine Bewegung eines Arbeitskolbens eine Bewegung des jeweils anderen Arbeitskolbens bewirkt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, die Masse bewegter Bauteile möglichst gleichmäßig zu verteilen, um dadurch die mechanische Beanspruchbarkeit der Komponenten zu verringern und idealerweise einen ruhigeren und gleichmäßigeren Betrieb der Freikolbenvorrichtung zu erzielen. For example, it is favorable if the at least one piston device comprises a first section having the first working piston and a second section having the second working piston, which are each movable along an axis of the free piston device, and if the sections are under the control and / or regulation of the working cycles of Working piston relative to each other are gegengleich movable. The first and the second section preferably each comprise a working piston and a piston carrier element fixed thereto, for example in the form of a piston rod. The sections are aligned coaxially with each other and can move axially counterparts (antiparallel) in controlling the working cycles of the working piston by means of the control and / or regulating device, wherein they are axially spaced from each other. The working pistons are movably coupled to each other in this embodiment, wherein by a movement of a working piston, a movement of the respective other working piston can be effected. In the present embodiment, it is also possible to distribute the mass of moving components as evenly as possible, thereby reducing the mechanical strength of the components and ideally to achieve a quieter and more uniform operation of the free-piston device.
Als günstig erweist es sich, wenn der erste Arbeitskolben und der zweite Arbeitskolben an einer dem jeweils anderen zweiten beziehungsweise ersten Abschnitt abgewandten Seiten des ersten beziehungsweise des zweiten Abschnitts angeordnet sind. Dies erleichtert es, den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt, zum Beispiel an einander zugewandten Seiten, mechanisch miteinander zu koppeln. It proves to be favorable when the first working piston and the second working piston are arranged on a side facing away from the other second or first portion of the first and the second portion. This makes it easier to mechanically couple the first portion and the second portion, for example on sides facing each other.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die mindestens eine Kolbeneinrichtung einen Abstandsänderungsmechanismus umfasst zum Bereitstellen eines unterschiedlichen Abstandes des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts voneinander abhängig vom Arbeitstakt der Arbeitskolben. Durch den Abstandsänderungsmechanismus kann eine bewegliche Kopplung der Arbeitskolben und eine Relativbewegung der Kolben zueinander sichergestellt werden.It proves to be advantageous if the at least one piston device comprises a distance changing mechanism for providing a different distance of the first portion and the second portion from each other depending on the working cycle of the working piston. By the distance changing mechanism, a movable coupling of the working piston and a relative movement of the piston can be ensured to each other.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt einen minimalen Abstand voneinander einnehmen, wenn die Arbeitskolben einen jeweiligen unteren Totpunkt einnehmen und einen maximalen Abstand voneinander einnehmen, wenn die Arbeitskolben einen jeweiligen oberen Totpunkt einnehmen, insbesondere bei der zuvorletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. For example, it may be provided that the first section and the second section occupy a minimum distance from each other when the working pistons occupy a respective bottom dead center and occupy a maximum distance from each other when the working pistons occupy a respective top dead center, in particular in the Previously mentioned advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention.
Bei einer konstruktiv einfachen Umsetzung der Freikolbenvorrichtung in der Praxis erweist es sich als günstig, wenn der Abstandsänderungsmechanismus ein Gelenkelement umfasst, das am ersten Abschnitt und am zweiten Abschnitt jeweils um eine quer zur Achse ausgerichtete Drehachse drehbar festgelegt ist, wobei die Drehachsen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Achse angeordnet sind. "Quer zur Achse ausgerichtet" bedeutet vorliegend, dass die Drehachsen eine die Achse der Freikolbenvorrichtung enthaltende Ebene senkrecht schneiden. Das Gelenkelement ist am ersten und am zweiten Abschnitt jeweils um eine Drehachse schwenkbar festgelegt, wobei die Drehachsen auf unterschiedlichen Seiten der Achse angeordnet sind. Das Gelenkelement kann dadurch von der einen Seite der Achse zur gegenüberliegenden Seite der Achse verlaufen und eine Ebene schneiden, welche die Achse der Freikolbenvorrichtung enthält und parallel zu den Drehachsen ausgerichtet ist. Bei einer Bewegung des ersten Abschnitts, hervorgerufen durch eine Bewegung des entsprechenden Arbeitskolbens, kann das Gelenkelement um die jeweiligen Drehachsen verschwenkt werden und dabei eine Bewegung des zweiten Abschnitts und des zweiten Arbeitskolbens bewirken, und umgekehrt. In a structurally simple implementation of the free-piston device in practice, it proves to be advantageous if the distance change mechanism comprises a joint member which is rotatably mounted on the first portion and the second portion each about a transversely oriented axis of rotation axis, wherein the axes of rotation on opposite sides the axis are arranged. As used herein, "transverse to axis" means that the axes of rotation perpendicularly intersect a plane containing the axis of the free piston device. The hinge element is pivotally mounted on the first and second portions each about a rotation axis, wherein the rotation axes are arranged on different sides of the axis. The hinge member may thereby extend from one side of the axle to the opposite side of the axle and intersect a plane containing the axis of the free piston device and aligned parallel to the axes of rotation. In a movement of the first portion, caused by a movement of the corresponding working piston, the joint member can be pivoted about the respective axes of rotation, thereby causing a movement of the second portion and the second working piston, and vice versa.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn das Gelenkelement an der mindestens einen Kolbenaufnahme oder an einem Gehäuse des Freikolbenmotors um eine quer zur Achse ausgerichtet Drehachse drehbar festgelegt ist. Durch Festlegung an der Kolbenaufnahme oder am Gehäuse kann ein zuverlässigerer Betrieb der Freikolbenvorrichtung erzielt werden, bei dem das Gelenkelement gerätefest ist. It proves to be advantageous if the joint element is rotatably fixed to the at least one piston receptacle or to a housing of the free-piston engine about a rotational axis aligned transversely to the axis. By fixing to the piston receptacle or the housing, a more reliable operation of the free piston device can be achieved, in which the joint element is fixed to the device.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn der Abstandsänderungsmechanismus mindestens ein Paar von Gelenkelementen umfasst, deren jeweils eines am ersten Abschnitt beziehungsweise am zweiten Abschnitt drehbar festgelegt ist und die drehbar miteinander verbunden sind, wobei die Drehachsen quer zur Achse ausgerichtet sind. Verschwenken die Gelenkelemente relativ zum ersten beziehungsweise zweiten Abschnitt und relativ zueinander, kann der Abstand der Abschnitte voneinander geändert und dadurch eine Relativbewegung der Arbeitskolben durch mechanische Kopplung erzielt werden.In another advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention, it is favorable if the distance-changing mechanism comprises at least one pair of articulated elements, one of which is rotatably fixed to the first section and the second section and which are rotatably connected to each other, wherein the axes of rotation are aligned transversely to the axis , If the articulation elements pivot relative to the first or second section and relative to one another, the spacing of the sections can be changed from one another and thereby a relative movement of the working pistons can be achieved by mechanical coupling.
Vorzugsweise sind zwei Paare von Gelenkelementen vorgesehen, wobei die Paare von Gelenkelementen einander bezüglich der Achse gegenüberliegen. Beispielsweise sind die Paare von Gelenkelemente symmetrisch zueinander bezüglich der Achse angeordnet. Preferably, two pairs of hinge elements are provided, with the pairs of hinge elements facing each other with respect to the axis. For example, the pairs of hinge elements are arranged symmetrically with respect to each other with respect to the axis.
Das Gelenk bzw. die Gelenke, an denen die Gelenkelemente miteinander verbunden sind, sind vorzugsweise in mindestens einer Führung der Freikolbenvorrichtung quer zur Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung beweglich.The joint or joints, in which the joint elements are connected to each other, are preferably movable transversely to the direction of movement of the piston device in at least one guide of the free-piston device.
Als günstig erweist es sich, wenn die Rückfedereinrichtung mindestens eine Gasfedereinrichtung umfasst oder ausbildet, wobei die Kolbenaufnahme mindestens eine Rückfederkammer aufweist, in der mindestens ein Rückfederraum gebildet ist, und wenn die mindestens eine Kolbeneinrichtung mindestens einen Rückfederkolben umfasst, der den mindestens einen Rückfederraum begrenzt und mit dem ersten Arbeitskolben und/oder dem zweiten Arbeitskolben über mindestens ein Kolbentrageelement gekoppelt ist. Die Gasfedereinrichtung erlaubt es beispielsweise, den Arbeitspunkt des Freikolbenmotors einzustellen, wobei insbesondere eine Einstellung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung möglich ist. Die Einstellung des Arbeitspunktes erfolgt insbesondere durch Einstellung der Rückfederkraft der Gasfedereinrichtung, wie dies beispielsweise in der
Ein in der Rückfederkammer aufgenommenes Gas kann unter der Wirkung des Rückfederkolbens komprimiert werden. Bei der nachfolgenden Expansion kann eine Rückfederkraft auf den Rückfederkolben und ein Kolbentragelement desselben, zum Beispiel eine Kolbenstange, ausgeübt werden. Die Kolbenstange kann an einem dem Rückfederkolben gegenüberliegenden Ende einen Arbeitskolben umfassen. Denkbar ist, wie vorstehend erläutert, auch, dass das Kolbentragelement mit einem zwei Arbeitskolben mechanisch miteinander koppelnden Kopplungselement verbunden ist. A gas taken up in the rebound chamber can be compressed under the action of the return spring piston. In the subsequent expansion, a return spring force can be exerted on the return spring piston and a piston-carrying element of the same, for example a piston rod. The piston rod may comprise a working piston at an end opposite the return spring piston. It is also conceivable, as explained above, that the piston-carrying element is connected to a coupling element which is mechanically coupled to one another by two working pistons.
Alternativ oder ergänzend zu einer Gasfedereinrichtung kann die Rückfedereinrichtung mechanisch ausgebildet sein, beispielsweise eine mechanische Feder umfassen. Alternatively or in addition to a gas spring device, the return spring means may be mechanically formed, for example comprise a mechanical spring.
Günstig ist es, wenn die Rückfedereinrichtung eine erste Rückfedereinheit umfasst, die dem ersten Arbeitskolben zugeordnet ist und eine zweite Rückfedereinheit, die dem zweiten Arbeitskolben zugeordnet ist, wobei jede Rückfedereinheit über einen Rückfederkolben, der über ein Kolbentragelement mit einem der Arbeitskolben verbunden ist, auf den jeweiligen Arbeitskolben einwirkt. Jede Rückfedereinheit kann eine Rückfederkammer, einen Rückfederraum und einen darin angeordneten Rückfederkolben umfassen. Jeder Rückfederkolben ist mit einem der Arbeitskolben über ein Kolbentragelement, insbesondere eine Kolbenstange, verbunden. Dadurch kann jede Rückfedereinheit für sich eine Rückfederkraft bereitstellen, die auf den jeweiligen Arbeitskolben einwirkt.It is advantageous if the return spring device comprises a first return spring unit which is assigned to the first working piston and a second return spring unit which is assigned to the second working piston, wherein each return spring unit is connected to the piston by means of a return spring piston which is connected to one of the working pistons via a piston bearing element respective working piston acts. Each return spring unit may comprise a springback chamber, a resilience space, and a return spring piston disposed therein. Each return spring piston is connected to one of the working pistons via a piston-carrying element, in particular a piston rod. As a result, each return spring unit can provide a spring-back force for itself, which acts on the respective working piston.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Rückfedereinrichtung dem ersten Arbeitskolben und dem zweiten Arbeitskolben gemeinsam zugeordnet ist und über einen Rückfederkolben auf ein Kolbentragelement einwirkt, das mit beiden Arbeitskolben gekoppelt ist. Wie vorstehend erwähnt kann die Rückstellkraft über ein am Rückfederkolben festgelegtes Kolbentragelement insbesondere auf das vorstehend erwähnte Kopplungselement ausgeübt werden, welches seinerseits mit den Kolbentragelementen der Arbeitskolben verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist beiden Arbeitskolben eine gemeinsame Rückfedereinrichtung zugeordnet, bei der nur eine Rückfederkammer und ein Rückfederraum zum Einsatz kommen kann. In another advantageous embodiment, it can be provided that the return spring device is assigned to the first working piston and the second working piston together and acts via a return spring piston on a piston supporting element, which is coupled with two working pistons. As mentioned above, the restoring force can be exerted via a piston supporting element fixed to the return spring piston, in particular to the above-mentioned coupling element, which in turn is connected to the piston carrying elements of the working piston. In this embodiment, both working piston associated with a common return spring means, in which only a spring-back chamber and a resilience space can be used.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, bei der die Rückfedereinrichtung mindestens eine Gasfedereinrichtung umfasst oder ausbildet, kann vorgesehen sein, dass von der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer ein Rückfederraum gebildet ist, wobei der Expansionsraum der Expansionskammer und der Rückfederraum bezüglich einer Volumenänderung invers zueinander sind. Eine Volumenänderung des Expansionsraums der Expansionskammer kann synchron zu einer Volumenänderung des Rückfederraums in derselben Expansionskammer erfolgen, wobei eine Volumenerhöhung des Expansionsraums eine Volumenerniedrigung des Rückfederraums bewirkt und umgekehrt. In a further advantageous embodiment of the free-piston device according to the invention, in which the return spring device comprises or forms at least one gas spring device, it can be provided that a resilience space is formed by the first expansion chamber and / or the second expansion chamber, wherein the expansion space of the expansion chamber and the resilience space with respect to a Volume change are inverse to each other. A volume change of the expansion space of the expansion chamber may be in synchronism with a volume change of the resilience space in the same expansion chamber, wherein an increase in volume of the expansion space causes a decrease in the volume of the resilience space, and vice versa.
Der Rückfederraum ist bevorzugt von einem Rückfederkolben der Kolbeneinrichtung begrenzt, wobei besonders bevorzugt der Rückfederkolben durch den Arbeitskolben in der Expansionskammer gebildet ist, in welcher der Expansionsraum und der Rückfederraum gebildet sind. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens lässt sich das Volumen des Expansionsraumes und das Volumen des Rückfederraumes synchron und invers zueinander ändern, und dies auf konstruktiv einfache Weise. Der Arbeitskolben kann mit einer ersten Kolbenseite den Expansionsraum und mit einer zweiten, der ersten Kolbenseite gegenüberliegenden Kolbenseite den Rückfederraum begrenzen. Zudem kann eine kompakte Bauform des Freikolbenmotors erzielt werden.The resilience space is preferably delimited by a return spring piston of the piston device, the return spring piston particularly preferably being formed by the working piston in the expansion chamber, in which the expansion space and the resilience space are formed. During a movement of the working piston, the volume of the expansion space and the volume of the resilience space can be changed synchronously and inversely to one another, and this in a structurally simple manner. The working piston can define the expansion space with a first side of the piston and the return spring space with a second side of the piston opposite the first side of the piston. In addition, a compact design of the free-piston engine can be achieved.
Besonders bevorzugt sind beide Expansionskammern derart gestaltet, dass sie eine Expansionskammer und einen Rückfederraum bilden, wobei dem ersten Expansionsraum ein erster Rückfederraum und dem zweiten Expansionsraum ein zweiter Rückfederraum zugeordnet sind. Particularly preferably, both expansion chambers are designed such that they form an expansion chamber and a resilience space, wherein the first expansion space, a first resilience space and the second expansion space, a second resilience space are assigned.
Wie bereits erwähnt ist es günstig, wenn die von der Rückfedereinrichtung ausgeübte Rückfederkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist, wie dies zum Beispiel in der
Von Vorteil ist es, wenn der mindestens eine Freikolbenmotor eine Energiekopplungseinrichtung umfasst zum Aus- und/oder Einkoppeln von Energie aus der beziehungsweise 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 in die mindestens eine Kolbeneinrichtung eingekoppelt werden. Die Energiekopplungseinrichtung kann auf vielfältige Weise ausgestaltet sein, beispielsweise elektrisch, mechanisch, pneumatisch und/oder hydraulisch.It is advantageous if the at least one free-piston engine comprises an energy coupling device for discharging and / or coupling energy from or into the at least one piston device. The energy coupling device makes it possible to decouple mechanical kinetic energy of the at least one piston device by conversion. Alternatively or additionally, energy can be converted via the energy coupling device into mechanical kinetic energy into the at least one piston device. The energy coupling device can be designed in many ways, for example electrically, mechanically, pneumatically and / or hydraulically.
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 mindestens eine Kolbeneinrichtung eingekoppelt, in mechanische Energie gewandelt werden. In a structurally simple embodiment, it is advantageous if the energy coupling device comprises at least one electric linear drive with a coil arrangement and a magnet arrangement movable relative thereto. The electric linear drive (linear generator) makes it possible to convert the mechanical energy into electrical energy, which can be easily stored in a constructive way. Conversely, electrical energy can be converted into mechanical energy via the linear drive, into which at least one piston device is coupled.
Vorzugsweise ist die Spulenanordnung ortsfest zur Kolbenaufnahme angeordnet, und die Magnetordnung ist an einem Kolbentragelement eines Arbeitskolbens festgelegt. Dadurch kann eine konstruktiv einfache Ausgestaltung des Lineartriebs erzielt werden. Die Magnetanordnung kann längs der Achse alternierend gepolte angeordnete Magnete umfassen, die mit ortsfesten, etwa an der Kolbenaufnahme oder an einem Gehäuse der Freikolbenvorrichtung angeordneten Spulen zusammenwirken können.Preferably, the coil assembly is arranged stationary to the piston receiving, and the magnetic order is fixed to a piston supporting member of a working piston. As a result, a structurally simple embodiment of the linear drive can be achieved. The magnet arrangement may comprise magnets arranged alternately in a poleward direction along the axis, which magnets may cooperate with stationary coils arranged approximately on the piston receptacle or on a housing of the free-piston device.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung mittels der Energiekopplungseinrichtung in Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Dies erlaubt es, einen Arbeitspunkt des mindestens einen Freikolbenmotors in dessen Betrieb einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Energiekopplungseinrichtung mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung in Wirkverbindung stehen.It proves to be advantageous if the movement of the at least one piston device can be controlled and / or regulated by means of the energy coupling device during operation of the free piston device. This makes it possible to set an operating point of the at least one free-piston engine in its operation. For this purpose, the energy coupling device can be in operative connection with the control and / or regulating device.
Günstig ist es, wenn die Energiekopplungseinrichtung eine erste Energiekopplungseinheit umfasst, die dem ersten Arbeitskolben zugeordnet ist, und eine zweite Energiekopplungseinheit, die dem zweiten Arbeitskolben zugeordnet ist, wobei jede Energiekopplungseinheit an einem Kolbentragelement des jeweiligen Arbeitskolbens angeordnet ist und mit diesem zusammenwirkt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass an jedem einem Arbeitskolben zugeordneten Kolbentragelement eine Magnetanordnung festgelegt ist, die mit einer ortsfesten Spulenanordnung zusammenwirkt. Die Bewegung jedes Arbeitskolbens für sich kann dadurch genutzt werden, um dessen mechanische kinetische Energie auszukoppeln, oder Energie kann in die mindestens eine Kolbeneinrichtung eingekoppelt werden.It is favorable if the energy coupling device comprises a first energy coupling unit, which is assigned to the first working piston, and a second energy coupling unit, which is assigned to the second working piston, wherein each Energy coupling unit is arranged on a piston support member of the respective working piston and cooperates with this. For example, it is provided that a magnet arrangement is fixed to each piston piston associated with a working piston, which cooperates with a stationary coil arrangement. The movement of each working piston can be used by itself to decouple its mechanical kinetic energy, or energy can be coupled into the at least one piston device.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform ist es günstig, wenn die Energiekopplungseinrichtung dem ersten Arbeitskolben und dem zweiten Arbeitskolben zugeordnet ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung an einem Kolbentragelement für den ersten Arbeitskolben und den zweiten Arbeitskolben angeordnet ist.In another advantageous embodiment, it is favorable if the energy coupling device is assigned to the first working piston and the second working piston, wherein the energy coupling device is arranged on a piston supporting element for the first working piston and the second working piston.
Von Vorteil ist es, wenn die Freikolbenvorrichtung einen ersten Freikolbenmotor umfasst und einen zweiten Freikolbenmotor, die identisch oder im Wesentlichen identisch sind und die so angeordnet sind, dass sie bezüglich einer Symmetrieebene symmetrisch oder im Wesentlichen symmetrisch zueinander sind, welche Symmetrieebene senkrecht zu einer Achse der Freikolbenvorrichtung ist, längs derer die jeweilige mindestens eine Kolbeneinrichtung beweglich ist. It is advantageous if the free piston device comprises a first free piston engine and a second free piston engine, which are identical or substantially identical and which are arranged so that they are symmetrical or substantially symmetrical to each other with respect to a plane of symmetry, which plane of symmetry perpendicular to an axis of Free piston device is along which the respective at least one piston device is movable.
Dabei ist es von Vorteil, wenn über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung die Arbeitstakte der Arbeitskolben so steuerbar und/oder regelbar sind, dass die mindestens eine Kolbeneinrichtung des ersten Freikolbenmotors und die mindestens eine Kolbeneinrichtung des zweiten Freikolbenmotors gegengleich bewegbar sind. Dies erlaubt es, bei der Freikolbenvorrichtung einen Massen- und Momentenausgleich sicherzustellen. Die Freikolbenmotoren sind so symmetrisch relativ zueinander angeordnet, dass die jeweiligen Kolbeneinrichtungen gegengleich axial bewegt werden können, wobei jeder Freikolbenmotor zwei Arbeitskolben umfasst, die mechanisch gekoppelt sind und deren Arbeitstakte um zwei Arbeitstakte des Viertaktbetriebes zeitversetzt sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere die Arbeitstakte der Freikolbenmotoren identisch, d. h. zu jedem Arbeitskolben eines Freikolbenmotors existiert ein Arbeitskolben des jeweils anderen Freikolbenmotors, der denselben Arbeitstakt ausführt.It is advantageous if the working cycles of the working piston are controllable and / or controllable via the control and / or regulating device such that the at least one piston device of the first free-piston engine and the at least one piston device of the second free-piston engine are movable in opposite directions. This makes it possible to ensure a mass and torque compensation in the free-piston device. The free-piston engines are arranged symmetrically relative to each other, that the respective piston devices can be moved against the same axial, each free-piston engine comprises two working pistons, which are mechanically coupled and the power strokes are time-offset by two power strokes of the four-stroke operation. In the present embodiment, in particular, the power strokes of the free-piston engines are identical, i. H. to each working piston of a free-piston engine, there is a working piston of the other free piston engine, which executes the same power stroke.
Wie eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung. Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das die eingangs gestellte Aufgabe löst, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Freikolbenvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art so betrieben wird, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einen Viertaktbetrieb des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens steuert und/oder regelt, wobei die Arbeitstakte des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens um zwei Arbeitstakte des Viertaktbetriebes zeitversetzt sind.As mentioned above, the invention also relates to a method for operating a free-piston device. An inventive method, which solves the object set initially, is characterized in that a free-piston device of the type described above is operated so that the control and / or regulating device controls a four-stroke operation of the first working piston and the second working piston and / or regulated, wherein the working cycles of the first working piston and the second working piston are time-delayed by two working cycles of the four-stroke operation.
Die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung beschriebenen Vorteile können unter Einsatz des Verfahrens erzielt werden. Diesbezüglich wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf voranstehende Erläuterungen verwiesen.The advantages already described in connection with the explanation of the free-piston device according to the invention can be achieved using the method. In this regard, to avoid repetition, reference is made to the above explanations.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden, dessen Merkmale bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erwähnt wurden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich ebenfalls auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen.In particular, it can be provided that advantageous embodiments of the method according to the invention are used, the features of which have already been mentioned in connection with the explanation of advantageous embodiments of the free-piston device according to the invention. To avoid repetition, reference is also made in this respect to the above explanations.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Arbeitstakte des ersten Arbeitskolbens und des zweiten Arbeitskolbens mindestens eines der Folgenden steuert und/oder regelt:
- – eine an der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordnete Ventileinrichtung;
- – eine an der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordnete Zündeinrichtung;
- – der ersten Expansionskammer und/oder der zweiten Expansionskammer angeordnete Einspritzeinrichtung;
- – eine Mischeinrichtung zum Bereitstellen des Arbeitsmediums als Brennstoff-Oxidator-Gemisch;
- – eine Ladeeinrichtung zum Bereitstellen eines Volumenstroms des Arbeitsmediums.
- - A arranged on the first expansion chamber and / or the second expansion chamber valve means;
- - An arranged on the first expansion chamber and / or the second expansion chamber ignition device;
- - the first expansion chamber and / or the second expansion chamber arranged injection device;
- - A mixing device for providing the working medium as a fuel-oxidizer mixture;
- - A charging device for providing a volume flow of the working medium.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for a more detailed explanation of the invention. Show it:
Bei der Freikolbenvorrichtung
Die Kolbeneinrichtung
Die Kolbenaufnahme
Vorliegend ist an der Stirnseite jeder Expansionskammer
Am jeweiligen Einlass
Weiter ist an jeder Expansionskammer
Bei der Freikolbenvorrichtung
Der Freikolbenmotor
An der Rückfederkammer
Die Rückfedereinrichtung
Die Funktionsweise der Rückfedereinrichtung
Der Freikolbenmotor
Der Lineartrieb
Der Lineartrieb
Umgekehrt kann mechanische kinetische Energie der Kolbeneinrichtung durch den Lineartrieb
Wie bereits erwähnt, können die Arbeitskolben
Während der Arbeitskolben
Dies erlaubt es, mit der Freikolbenvorrichtung
Nachfolgend wird das Arbeitsmedium im Expansionsraum
Nachfolgend kann durch Expansion des Gases im Rückfederraum
Vorstehende Erläuterungen zeigen, dass mit der Freikolbenvorrichtung
Mit der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist ein höherer Wirkungsgrad als bei herkömmlichen im Viertaktmodus betriebenen Vorrichtungen erzielbar, bei der der Lineartrieb
Die Freikolbenmotoren
Bei der Freikolbenvorrichtung
Durch die gegengleiche Bewegung der Kolbeneinrichtungen
In
Bei der Freikolbenvorrichtung
Anstelle des Rückfederkolbens
Die Rückfedereinrichtung
Die Energiekopplungseinrichtung
Das Vorsehen von zwei Energiekopplungseinheiten
Bei der Freikolbenvorrichtung
Das Gelenkelement
Bei der Freikolbenvorrichtung
Durch die gegengleiche antiparallele Bewegung der Abschnitte
Zu einer weiteren Stabilisierung der Kolbeneinrichtung
Der Aufbau der Freikolbenvorrichtungen
Bei der Freikolbenvorrichtung
Die Gelenkelemente
Unter der Wirkung der Gelenkelemente
Für die die Drehachsen
Im Übrigen werden die Arbeitstakte der Arbeitskolben
Bei der Freikolbenvorrichtung
Bei der Freikolbenvorrichtung
Der Rückfederraum
In entsprechender Weise bildet die Expansionskammer
An den Wänden
Die Volumenänderung des Expansionsraums
Entsprechendes gilt für den Expansionsraum
Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung können Konstruktionen gemäß der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Freikolbenvorrichtung Free-piston device
- 1212
- Freikolbenmotor Free piston engine
- 1414
- Kolbenaufnahme piston receiving
- 1616
- Kolbeneinrichtung piston device
- 1818
- Achse axis
- 2020
- erster Arbeitskolben first working piston
- 2222
- zweiter Arbeitskolben second working piston
- 2424
- Kolbentragelement (Kolbenstange) Piston bearing element (piston rod)
- 2626
- Kolbentragelement (Kolbenstange) Piston bearing element (piston rod)
- 2828
- Kopplungselement coupling element
- 3030
- Rückfederkolben Rear spring piston
- 3232
- Kolbentragelement (Kolbenstange) Piston bearing element (piston rod)
- 3434
- Expansionskammer expansion chamber
- 3636
- Expansionskammer expansion chamber
- 3838
- Expansionsraum expansion space
- 4040
- Expansionsraum expansion space
- 4242
- Einlass inlet
- 4343
- Zuführleitung feed
- 4444
- Auslass outlet
- 4545
- Abführleitung discharge
- 4646
- Ventil Valve
- 4747
- Steuerleitung control line
- 4848
- Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung Control and / or regulating device
- 5050
- Ventil Valve
- 5151
- Steuerleitung control line
- 5252
- Zündeinrichtung ignition device
- 5353
- Steuerleitung control line
- 5454
- Rückfedereinrichtung Return spring means
- 5656
- Rückfederkammer Rebound chamber
- 5858
- Rückfederraum Resilience space
- 6464
- Ein- und/oder Auslass Inlet and / or outlet
- 6666
- Ventil Valve
- 6868
- Steuerleitung control line
- 7070
- Energiekopplungseinrichtung Energy coupling device
- 7272
- Lineartrieb linear drive
- 7474
- Magnetanordnung magnet assembly
- 7676
- Spulenanordnung coil assembly
- 7878
- Leitung management
- 8080
- Freikolbenvorrichtung Free-piston device
- 8282
- Symmetrieebene plane of symmetry
- 9090
- Freikolbenvorrichtung Free-piston device
- 9292
- erster Abschnitt first section
- 9494
- zweiter Abschnitt second part
- 9696
- Rückfederkolben Rear spring piston
- 9898
- Rückfederkolben Rear spring piston
- 100100
- Rückfedereinheit Rear spring unit
- 102102
- Rückfedereinheit Rear spring unit
- 104104
- Energiekopplungseinheit Energy coupling unit
- 106106
- Energiekopplungseinheit Energy coupling unit
- 107107
- Abstandsänderungsmechanismus Distance changing mechanism
- 108108
- Halteelement retaining element
- 110110
- Halteelement retaining element
- 112112
- Gelenkelement joint element
- 114114
- Drehachse axis of rotation
- 116116
- Drehachse axis of rotation
- 118118
- Drehachse axis of rotation
- 120120
- Freikolbenvorrichtung Free-piston device
- 121121
- Abstandsänderungsmechanismus Distance changing mechanism
- 122122
- Gelenkelement joint element
- 124124
- Gelenkelement joint element
- 126126
- Gelenkelement joint element
- 128128
- Gelenkelement joint element
- 130130
- Drehachse axis of rotation
- 132132
- Drehachse axis of rotation
- 134134
- Drehachse axis of rotation
- 136 136
- Drehachse axis of rotation
- 138138
- Doppelpfeil double arrow
- 140140
- Führung guide
- 150150
- Freikolbenvorrichtung Free-piston device
- 152152
- Rückfederraum Resilience space
- 154154
- Rückfederraum Resilience space
- 156156
- Wand wall
- 158158
- Wand wall
- 160160
- Ein-/Auslass Inlet / outlet
- 162162
- Ventil Valve
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10219549 A1 [0003] DE 10219549 A1 [0003]
- DE 10242141 A1 [0003] DE 10242141 A1 [0003]
- DE 102006029532 A1 [0003, 0033, 0041] DE 102006029532 A1 [0003, 0033, 0041]
- DE 102011000620 A1 [0003, 0005, 0033, 0041, 0071] DE 102011000620 A1 [0003, 0005, 0033, 0041, 0071]
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DE102013106792.1A DE102013106792B4 (en) | 2013-06-28 | 2013-06-28 | Free piston device and method for operating a free piston device |
Publications (2)
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