DE102014100545A1

DE102014100545A1 - Freikolbenmotorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors

Info

Publication number: DE102014100545A1
Application number: DE102014100545.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Weiss-Ungethüm
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Um ein Freikolbenmotorsystem, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor, welcher eine Kolbeneinrichtung aufweist, die unter der Wirkung eines expandierenden Mediums in einer linearen Bewegung in einer ersten Richtung angetrieben ist und durch eine Rückstellkraft in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, bereitzustellen, welches einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist, ist vorgesehen, dass die Rückstellkraft durch ein dampfförmiges Arbeitsmedium ausgeübt ist und dass eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist, welche an den mindestens einen Freikolbenmotor gekoppelt ist und durch welche Arbeitsmedium über Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors erhitzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Freikolbenmotorsystem, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor, welcher eine Kolbeneinrichtung aufweist, die unter der Wirkung eines expandierenden Mediums in einer linearen Bewegung in einer ersten Richtung angetrieben ist und durch eine Rückstellkraft in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors, bei dem eine Kolbeneinrichtung unter Wirkung eines expandierenden Mediums in einer linearen Bewegung angetrieben wird und die Kolbeneinrichtung in einer Gegenrichtung zurückgestellt wird.
Aus der WO 03/01556 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb bekannt, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung, wobei die Kolbeneinrichtung eine Läufervorrichtung umfasst und an der Kolbenaufnahme eine Statorvorrichtung angeordnet ist und wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist. Der Kolbenhub ist dabei über den Lineartrieb derart variabel einstellbar, dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung definierbar sind. Das Medium, welches die Kolbeneinrichtung antreibt, ist beispielsweise ein Brenngas oder ein Wärmeträgermedium wie Dampf.
Aus der DE 43 03 692 A1 ist ein Freikolben-Energie-Verbrennungsmotor nach dem Otto- oder Dieselprinzip in Vier- oder Zweitaktausführung mit oder ohne Aufladung bekannt, bei dem nach dem durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemischs getätigten normalen Arbeitshub oder eines Teils davon die im Plasma der Verbrennungsabgase noch enthaltene bzw. auf die Motorbauteile übergegangene Energie zum weiteren Arbeitshub bzw. Fortsetzung des begonnenen Arbeitshubs ohne oder mit wesentlich reduziertem zusätzlichen Kraftstoffeinsatz dadurch genutzt wird, dass das Plasma der Verbrennungsgase mit einem Medium zur Druckerhöhung bei der erreichten Temperatur gemischt wird.
Aus der DE 41 36 099 A1 ist ein Zweitakt-Freikolben-Dampfmotor bekannt, bei dem Wasser unter erhöhtem Druck Verdampfungsenergie zugeführt wird.
Aus der DE 1 551 068 ist ein Freikolben-Dampfmotor für Industrie-Anlagen bekannt, bei dem die Wärme von Kompressionsluft von Kaltluft-Maschinen nutzbringend verwertet werden kann. Die Kompression der Luft und Expansion der gekühlten Kompressionsluft und die den zuzuführenden Energiebeitrag liefernde Dampfexpansion erfolgt in Zylindern, deren Kolben auf einer gemeinsamen Achse miteinander gekuppelt sind und so zwischen den Toträumen der Zylinder frei hin- und herlaufen.
Aus der DE 197 43 776 A1 ist ein Freikolbenmotor mit mindestens einem Brennraum und einem mit dem Brennraum zusammenwirkenden Hauptkolben, der Arbeit verrichtet, bekannt. Er weist ein elastisches Element auf, das den Hauptkolben in den Brennraum drückt. Eine Einrichtung ermöglicht eine Ruhepause im zyklischen Bewegungsablauf des Hauptkolbens.
Aus der WO 2009/156257 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, wobei die Freikolbenvorrichtung mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welcher unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird. Die Kolbeneinrichtung ist an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt. Es wird ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.
Aus der WO 2008/037980 A2 ist ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug bekannt, welches einen internen Verbrennungsmotor und einen Dampfgenerator umfasst. Wasser wird dem Dampfgenerator bereitgestellt, wo es durch Abwärme des internen Verbrennungsmotors erhitzt wird. Der Dampf wird in einem Speichertank gespeichert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Freikolbenmotorsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Freikolbenmotorsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rückstellkraft durch ein dampfförmiges Arbeitsmedium ausgeübt ist und dass eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist, welche an den mindestens einen Freikolbenmotor gekoppelt ist, und über welche Arbeitsmedium über Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors erhitzbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystem weist der Freikolbenmotor eine Rückstelleinrichtung auf, welche als Gasfeder ausgebildet ist. Das Medium der Gasfeder ist dabei dampfförmiges Arbeitsmedium. Das Arbeitsmedium wird durch Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors zumindest erhitzt. Insbesondere wird aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugt. Dadurch kann mindestens ein Teil des dampfförmigen Arbeitsmediums über die Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Freikolbenmotorsystem lässt sich universell einsetzen. Es ergibt sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad.
Insbesondere ist es günstig, wenn die Wärmeübertragungseinrichtung so angeordnet und ausgebildet ist, dass durch Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugbar ist und/oder flüssiges Arbeitsmedium und/oder dampfförmiges Arbeitsmedium (weiter) erhitzbar ist. Dadurch ergibt sich ein optimierter Gesamtwirkungsgrad. Beispielsweise lässt sich über Abwärme des Freikolbenmotors auch flüssiges Arbeitsmedium vor der Verdampfung vorheizen.
Insbesondere weist die Wärmeübertragungseinrichtung einen Wärmeübertrager auf, welcher bezüglich Abgasen des mindestens einen Freikolbenmotors fluidwirksam an diesen gekoppelt ist und wobei über Abwärme des Abgases Arbeitsmedium erhitzbar ist. Dadurch ergibt sich eine optimierte Nutzung der Abwärme des Freikolbenmotors. Heiße Abgase aus dem mindestens einen Expansionsraum können verwendet werden, um Arbeitsmedium zu erhitzen und insbesondere flüssiges Arbeitsmedium zu verdampfen. Die Abgase des mindestens einen Freikolbenmotors können dabei Verbrennungsprodukte sein oder es kann sich auch um entspanntes Wärmeträgermedium handeln.
Insbesondere ist dann dieser Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager) als Dampferzeuger ausgebildet, welcher mindestens teilweise das dampfförmige Arbeitsmedium erzeugt, welches die Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung bereitstellt.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kühleinrichtung aufweist. Dadurch lassen sich die relevanten Teile des Freikolbenmotors wie beispielsweise ein elektrischer Lineartrieb kühlen.
Es ist dann günstig, wenn das Arbeitsmedium als Kühlmittel eingesetzt ist. Dadurch kann zum einen auf einfache Weise eine Kühlwirkung erzielt werden und zum anderen lässt sich flüssiges Arbeitsmedium vor der Verdampfung vorheizen. Dadurch ergibt sich ein optimierter Gesamtwirkungsgrad. Die Kühleinrichtung bildet dann einen Teil der Wärmeübertragungseinrichtung und bildet insbesondere einen (dritten) Wärmeübertrager, welcher Arbeitsmedium heizt. Gleichzeitig wird dabei eine Kühlwirkung erzielt.
Es ist ferner günstig, wenn ein Wärmeübertrager vorgesehen ist (erster Wärmeübertrager), welcher bezüglich Arbeitsmedium fluidwirksam an den Ausgang der Kühleinrichtung angeschlossen ist. Diesem Wärmeübertrager lässt sich dann über die Kühleinrichtung vorgeheiztes flüssiges Arbeitsmedium bereitstellen. Dadurch lässt sich leichter dampfförmiges Arbeitsmedium an dem Wärmeübertrager erzeugen.
Insbesondere ist der Wärmeübertrager (erster Wärmeübertrager) durch Abgase des mindestens einen Freikolbenmotors beheizt.
Weiterhin ist es günstig, wenn ein Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager) vorgesehen ist, welcher fluidwirksam für Arbeitsmedium an einen Eingang der Kühleinrichtung angeschlossen ist. Dieser Wärmeübertrager ist insbesondere als Kondensator ausgebildet. An ihm wird dampfförmiges Arbeitsmedium kondensiert und abgekühlt. Das entsprechende flüssige Arbeitsmedium lässt sich dann als Kühlmittel für eine Kühleinrichtung verwenden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kreislauf für Arbeitsmedium vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich bei relativ kompaktem Aufbau eine optimierte Nutzung der Abwärme des Freikolbenmotors, wobei die Arbeitsmediumzuführung in das System minimierbar ist.
Insbesondere umfasst der Kreislauf einen Wärmeübertrager zur Dampferzeugung, um dampfförmiges Arbeitsmedium im System erzeugen zu können.
Ferner ist es günstig, wenn der Kreislauf einen Wärmeübertrager und insbesondere Kondensator zur Abkühlung von Arbeitsmedium aufweist. Dadurch lässt sich Arbeitsmedium als Kühlmittel verwenden.
Weiterhin ist es günstig, wenn der Kreislauf eine Strecke in einer Kühleinrichtung des mindestens einen Freikolbenmotors aufweist. Dadurch lässt sich flüssiges Arbeitsmedium als Kühlmittel verwenden und das flüssige Arbeitsmedium lässt sich vor der Verdampfung vorheizen.
Ferner günstig ist es, wenn der Kreislauf eine Pumpe aufweist. Durch die Pumpe lässt sich Arbeitsmedium in dem Kreislauf fördern.
Günstigerweise weist der Freikolbenmotor mindestens einen Arbeitsmediumraum mit mindestens einem Eingang für Arbeitsmedium und mindestens einem Ausgang für Arbeitsmedium auf. An dem Eingang lässt sich dampfförmiges Arbeitsmedium einkoppeln, um eine Gasfeder in dem Arbeitsmediumraum zu realisieren. An dem Ausgang lässt sich entspanntes Arbeitsmedium auskoppeln.
Insbesondere ist der mindestens eine Arbeitsmediumraum durch die Kolbeneinrichtung begrenzt. Der Arbeitsmediumraum bildet einen Rückfederraum, welcher eine Gasfeder, die die Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung bereitstellt, aufnimmt. Durch den Eingang und den Ausgang ist die Gasfeder austauschbar. Dadurch kann beispielsweise die Kennlinie für die Rückstelleinrichtung auch dynamisch eingestellt werden. Ferner lässt sich eine Abweichung von einem eingestellten Kennlinienverlauf dynamisch korrigieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Bereitstellungseinrichtung für dampfförmiges Arbeitsmedium vorgesehen, durch welche unabhängig von dem Betrieb des mindestens einen Freikolbenmotors mit dem expandierenden Medium dampfförmiges Arbeitsmedium bereitstellbar ist. Durch die Bereitstellungseinrichtung lässt sich dampfförmiges Arbeitsmedium für die Rückstellkraft bereitstellen und insbesondere auch bevorraten. Beispielsweise beim Anfahren des mindestens einen Freikolbenmotors kann kein oder nicht genügend dampfförmiges Arbeitsmedium zur Verfügung stehen, welches über Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors erhitzt wurde. In diesem Fall kann dann die Bereitstellungseinrichtung "einspringen", um das benötigte dampfförmige Arbeitsmedium zu liefern.
Insbesondere umfasst die Bereitstellungseinrichtung eine Speichereinrichtung für Arbeitsmedium und eine der Speichereinrichtung zugeordnete Heizeinrichtung, durch welche aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugbar ist, wobei insbesondere die Heizeinrichtung unabhängig von dem mindestens einen Freikolbenmotor ist. Durch die Heizeinrichtung lässt sich an oder in der Speichereinrichtung dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugen, welches dann einem Arbeitsmediumraum des mindestens einen Freikolbenmotors zugeführt werden kann, um die Rückstellkraft bereitzustellen. Insbesondere lässt sich so beim Anfahren des Systems dampfförmiges Arbeitsmedium liefern, um die Rückstellkraft zu erzeugen, auch wenn noch nicht genügend Abwärme erzeugt wurde, um mittels der Wärmeübertragungseinrichtung dampfförmiges Arbeitsmedium zu erzeugen.
Insbesondere ist ein Kondensatbehälter vorgesehen, welcher der Speichereinrichtung flüssiges Arbeitsmedium bereitstellt. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise flüssiges Arbeitsmedium, welches sowieso vom System bereitgestellt wird, "vorrätig" halten, um bei Bedarf durch die Heizeinrichtung dampfförmiges Arbeitsmedium zu erzeugen.
Es ist dann vorteilhaft, wenn die Speichereinrichtung auf niedrigerem Gravitationspotential als der Kondensatbehälter liegt. Dadurch kann auf einfache Weise flüssiges Arbeitsmedium ohne zusätzliche Pumpe oder dergleichen von dem Kondensatbehälter zur Speichereinrichtung fließen.
Es ist dann ferner günstig, wenn ein Ventil und insbesondere Rückschlagventil zwischen dem Kondensatbehälter und der Speichereinrichtung angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der Speicherbehälter mit dem gewünschten Volumen an flüssigem Arbeitsmedium gefüllt halten, sodass beispielsweise bei einem Anfahrtvorgang genügend flüssiges Arbeitsmedium zur Verfügung steht, um dampfförmiges Arbeitsmedium zu erzeugen und dem Arbeitsmediumraum zuzuführen, bis ein stabiler Betrieb erreicht ist, bei dem die Abwärme des Freikolbenmotors selber dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugen kann.
Insbesondere ist dabei der Kondensatbehälter mit einem Wärmeübertrager verbunden, welcher Kondensat bereitstellt, und insbesondere ist der Wärmeübertrager (zweiter Wärmeübertrager) an einen Arbeitsmediumraum des mindestens einen Freikolbenmotors angeschlossen. Der entsprechende Wärmeübertrager stellt flüssiges Arbeitsmedium für Kühlzwecke bereit. Insbesondere wird diesem Wärmeübertrager Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumraum, welches abgekühlt ist, zugeführt. Es kann dann auf einfache Weise Arbeitsmediumkondensat erzeugt werden, welches für Anfahrvorgänge aber auch für Kühlzwecke nutzbar ist.
Es ist dann günstig, wenn der Kondensatbehälter fluidwirksam für Arbeitsmedium an einen Eingang einer Kühleinrichtung angeschlossen ist und insbesondere Kühlmittel zur Kühlung des mindestens einen Freikolbenmotors bereitstellt. Arbeitsmediumkondensat kann dann der Speichereinrichtung zugeführt werden, um flüssiges Arbeitsmedium vorrätig zu halten, wenn dieses benötigt wird, um "extern" von dem mindestens einen Freikolbenmotor dampfförmiges Arbeitsmedium zu erzeugen, um den Anfangsbetrieb des mindestens einen Freikolbenmotors zu ermöglichen. Ferner kann Arbeitsmediumkondensat als Kühlflüssigkeit für den mindestens einen Freikolbenmotor verwendet werden, insbesondere wenn ein stabiler Betrieb des mindestens einen Freikolbenmotors vorliegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Arbeitsmediumraum des mindestens einen Freikolbenmotors mindestens einen ersten Eingang für dampfförmiges Arbeitsmedium auf, welches von der Wärmeübertragungseinrichtung erhitzt wurde, und weist einen zweiten Eingang für dampfförmiges Arbeitsmedium auf, welcher an die Speichereinrichtung gekoppelt ist. Dadurch lässt sich die Rückstellkraft entweder mit dampfförmigem Arbeitsmedium erzeugen, welches an der Wärmeübertragungseinrichtung erhitzt wurde, oder welches von der Speichereinrichtung stammt. Der erste Eingang und der zweite Eingang müssen dabei nicht unbedingt direkt an dem Arbeitsmediumraum angeordnet sein. Es kann beispielsweise an dem Arbeitsmediumraum eine Zusammenführung angeordnet sein, an welcher der erste Eingang und der zweite Eingang angeordnet sind.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Freikolbenmotor einen elektrischen Lineartrieb umfasst. Dadurch lässt sich über die Bewegung der Kolbeneinrichtung elektrische Energie bereitstellen. Der elektrische Lineartrieb kann auch zur Steuerung bzw. Regelung der Position und Bewegung der Kolbeneinrichtung verwendet werden.
Insbesondere ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung des elektrischen Lineartriebs vorgesehen. Die Kühleinrichtung lässt sich mit flüssigem Arbeitsmedium als Kühlmittel betreiben.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Freikolbenmotor mindestens einen Expansionsraum aufweist, dem mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet ist, wobei in dem mindestens einen Expansionsraum ein Medium zum Antrieb der Kolbeneinrichtung expandiert. Der mindestens eine Expansionsraum ist beispielsweise ein Verbrennungsraum, in dem ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch verbrennen kann, wobei Verbrennungsgase die Kolbeneinrichtung antreiben. Durch das Vorsehen des mindestens einen Einlassventils und des mindestens einen Auslassventils ist eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung möglich.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der mindestens eine Freikolbenmotor mindestens einen Arbeitsmediumraum aufweist, dem mindestens ein Einlassventil (steuerbares Einlassventil) und mindestens ein Auslassventil (steuerbares Auslassventil) zugeordnet sind. Dadurch ist ein Gaswechsel an dem Arbeitsmediumraum möglich. Die Rückstellkraft lässt sich auch zeitlich einstellen und Abweichungen von einer eingestellten Rückstellkraft lassen sich korrigieren.
Insbesondere ist dann eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung vorgesehen, durch welche die Einlassventile und Auslassventile abgestimmt steuerbar sind. Dadurch lässt sich eine an die Anwendung angepasste Positionierung und Bewegung der Kolbeneinrichtung erreichen und Abweichungen lassen sich korrigieren bzw. es lässt sich eine Regelung durchführen.
Insbesondere weist die Steuerungs-/Regelungseinrichtung eine Steuereinheit auf, welche Einlassventile und Auslassventile in definierter zeitlicher Abfolge steuert. Dadurch erhält man eine optimierte Verfahrensdurchführung.
Es ist dann besonders günstig, wenn die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass im unteren Totpunkt der Kolbeneinrichtung das mindestens eine Einlassventil und das mindestens eine Auslassventil des mindestens einen Arbeitsmediumraums geschlossen sind. Der untere Totpunkt ist dabei so definiert, dass die Kolbeneinrichtung einen maximalen Abstand zu einer Stirnseite des mindestens einen Expansionsraums aufweist. Durch die Steuereinheit ist dann sichergestellt, dass in dem Arbeitsmediumraum sich ein Gaspolster befindet, welches einen Anschlag oder zumindest harten Anschlag an eine Wand des Arbeitsmediumraums verhindert.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der mindestens eine Expansionsraum einen Verbrennungsraum. Durch Verbrennung eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs wird die Kolbeneinrichtung angetrieben.
Günstig ist es, wenn zwischen einem Expansionsraum und einem Arbeitsmediumraum des mindestens einen Freikolbenmotors ein Zwischenraum liegt, welcher dem Arbeitsmediumraum benachbart ist und welcher gegenüber dem Arbeitsmediumraum unter Unterdruck steht. Dadurch wird verhindert, dass aus dem Zwischenraum ein Medium in den Arbeitsmediumraum eindringen kann. Grundsätzlich kann es aufgrund von Undichtigkeiten vorkommen, dass Medium von dem Expansionsraum in den Zwischenraum gelangen kann. Beispielsweise kann Brennstoff bzw. Oxidator bzw. Verbrennungsprodukte in den Zwischenraum gelangen. Durch die Unterdruckbeaufschlagung wird eine Verunreinigung des Arbeitsmediumraums verhindert.
Eine Verunreinigung von Arbeitsmedium kann dazu führen, dass eine Kondensatorleistung erheblich reduziert wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass zwischen einem Expansionsraum und einem Arbeitsmediumraum und insbesondere vor einem Arbeitsmediumraum mindestens ein Trennraum angeordnet ist, welcher gegenüber dem Arbeitsmediumraum mit Überdruck beaufschlagt ist. Dadurch wird das Eindringen beispielsweise von Verbrennungsgasen in den Arbeitsmediumraum verhindert.
Insbesondere ist dabei der mindestens eine Trennraum mit Arbeitsmedium befüllt, um den höheren Druck zu erzeugen. Dadurch ist eine Verunreinigung des Arbeitsmediumraums, in welchem die Rückstellkraft bereitgestellt ist, effektiv verhindert.
Insbesondere ist in einer Kolbeneinrichtung mindestens ein Kanal angeordnet, welcher in den mindestens einen Trennraum mündet. Es lässt sich dadurch Arbeitsmedium einführen bzw. auch auskoppeln.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Expansionsraum und mindestens ein weiterer, zweiter Expansionsraum vorgesehen, wobei der zweite Expansionsraum zwischen dem ersten Expansionsraum und dem Arbeitsmediumraum liegt. Durch expandierendes Mediums sowohl in dem ersten Expansionsraum als auch in dem zweiten Expansionsraum lässt sich dann die Kolbeneinrichtung in der linearen Bewegung in der ersten Richtung antreiben.
Es ist dabei konstruktiv günstig, wenn ein Kolben der Kolbeneinrichtung eine erste Kolbenfläche aufweist, welche dem Arbeitsmediumraum zugewandt ist, und eine zweite Kolbenfläche aufweist, welche dem zweiten Expansionsraum zugewandt ist. Durch entsprechende Ausbildung der ersten Kolbenfläche und der zweiten Kolbenfläche lässt sich die Druckdifferenz einstellen bzw. steuern und regeln.
Insbesondere wird der zweite Expansionsraum mit Dampf als Antriebsmedium für die Kolbeneinrichtung versorgt. Dadurch lässt sich eine Zusatzkraft zum Antrieb der Kolbeneinrichtung bereitstellen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der zweite Expansionsraum an die Wärmeübertragungseinrichtung gekoppelt ist. Dem zweiten Expansionsraum lässt sich dadurch "Frischdampf" bereitstellen. Der zweite Expansionsraum ist dann insbesondere an einen Arbeitsmedium-Kreislauf gekoppelt.
Grundsätzlich ist es möglich, dass der Arbeitsmediumraum ebenfalls an die Wärmeübertragungseinrichtung gekoppelt ist und mit Frischdampf versorgt ist. Es ist auch möglich, dass eine Verbindungsleitung zwischen einem Ausgang des zweiten Expansionsraums und einem Eingang des Arbeitsmediumraums liegt. Diese Verbindungsleitung stellt eine Überströmungsleitung dar, welche dem Arbeitsmediumraum dampfförmiges Arbeitsmedium bereitstellt, welches von dem zweiten Expansionsraum geliefert wird. In dem zweiten Expansionsraum wird dampfförmiges Arbeitsmedium entspannt. Dieses entspannte dampfförmige Arbeitsmedium wird dann dem Arbeitsmediumraum bereitgestellt. Der zweite Expansionsraum ist dann ein Hochdruckraum für dampfförmiges Arbeitsmedium und der Arbeitsmediumraum ist ein Niederdruckraum für das dampfförmige Arbeitsmedium.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium durch Abwärme des Freikolbenmotors erhitzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystem erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystem erläutert.
Insbesondere erzeugt Abgaswärme des Freikolbenmotors aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium. Dadurch ergibt sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad.
Es ist auch möglich, dass Abwärme einer Kühleinrichtung des Freikolbenmotors Arbeitsmedium erhitzt. Insbesondere wird flüssiges Arbeitsmedium vor der Dampferzeugung vorerwärmt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt wird. Dadurch ergeben sich umfangreiche Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten bei konstruktiv kompaktem und übersichtlichem Aufbau.
Insbesondere werden eine Medieneinkopplung im mindestens einen Expansionsraum, eine Medienauskopplung aus dem mindestens einen Expansionsraum, eine Einkopplung von dampfförmigem Arbeitsmedium in einen Arbeitsmediumraum und eine Auskopplung von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumraum in ihrer zeitlichen Abfolge gesteuert. Dadurch ergibt sich ein optimierter Betrieb mit Optimierung des Gesamtwirkungsgrads.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn in einem unteren Totpunkt der Kolbeneinrichtung der Arbeitsmediumraum bezüglich Einkopplung und Auskopplung von Arbeitsmedium geschlossen ist. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass sich ein Dampfpolster in dem Arbeitsmediumraum befindet, um einen Anschlag und insbesondere harten Anschlag zur Kolbeneinrichtung zu verhindern.
Es ist vorteilhaft, wenn gesammeltes Arbeitsmediumkondensat erhitzt wird und erzeugtes dampfförmiges Arbeitsmedium der Kolbeneinrichtung zur Bereitstellung der Rückstellkraft zugeführt wird, wobei die Erhitzung durch eine von dem mindestens einen Freikolbenmotor unabhängige Heizeinrichtung erfolgt. Beispielsweise beim Anfahren eines Freikolbenmotorsystems kann nicht genügend dampfförmiges Arbeitsmedium vorliegen, um die Rückstellkraft bereitzustellen. Die Abwärme des Freikolbenmotors reicht noch nicht aus, um dampfförmiges Arbeitsmedium zu erzeugen. Durch das Sammeln von Arbeitsmediumkondensat und Erhitzen über die Heizeinrichtung unabhängig von dem Freikolbenmotor kann diesem das notwendige dampfförmige Arbeitsmedium für die Rückstellkraft bereitgestellt werden. Das Arbeitsmediumkondensat lässt sich auf einfache Weise an einem Wärmeübertrager sammeln, welcher beispielsweise flüssiges Arbeitsmedium zur Kühlung des Freikolbenmotors bereitstellt.
Insbesondere ist das Arbeitsmediumkondensat durch einen Wärmeübertrager bereitgestellt, welchem Arbeitsmedium aus einem Arbeitsmediumraum des Freikolbenmotors zugeführt wird. Es lässt sich so auf einfache Weise Arbeitsmediumkondensat erzeugen und sammeln.
Insbesondere wird das Arbeitsmediumkondensat einem Kondensatbehälter entnommen, welcher auch flüssiges Arbeitsmedium für eine Kühlung des Freikolbenmotors bereitstellt. Aus dem Kondensatbehälter lässt sich auf einfache Weise flüssiges Arbeitsmediumkondensat beispielsweise einem Speicherbehälter zuführen und dort lässt sich durch eine Heizeinrichtung dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugen. Die Speichereinrichtung liegt beispielsweise auf niedrigerem Gravitationspotential als der Kondensatbehälter, sodass auf einfache Weise eine Förderung von Arbeitsmedium aus dem Kondensatbehälter zu der Speichereinrichtung erreicht ist. Beispielsweise ist ein Rückschlagventil zwischen der Speichereinrichtung und dem Kondensatbehälter angeordnet.
Günstig ist es, wenn eine Unterdruckbeaufschlagung eines Raums, welcher einem Arbeitsmediumraum benachbart ist, vorgesehen wird. Dadurch wird ein Eintritt irgendeines Mediums in den Arbeitsmediumraum über den genannten Raum verhindert.
Alternativ ist es auch möglich, dass ein Trennraum zwischen einem Expansionsraum und einem Arbeitsmediumraum mit Überdruck beaufschlagt wird und insbesondere (dampfförmiges) Arbeitsmedium zur Überdruckbeaufschlagung verwendet wird. Durch eine Überdruckbeaufschlagung eines Trennraums lässt sich ebenfalls das Eindringen von beispielsweise Verbrennungsgasen in einen Arbeitsmedium verhindern.
Bei einer Ausführungsform wird dampfförmiges Arbeitsmedium zum Antrieb der Kolbeneinrichtung sowohl in einer ersten Richtung als auch zur Bereitstellung der Rückstellkraft in eine Gegenrichtung verwendet.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass Arbeitsmedium von einem zweiten Expansionsraum in einen Arbeitsmediumraum geführt wird. Insbesondere wird dampfförmiges entspanntes Arbeitsmedium von dem zweiten Expansionsraum in den Arbeitsmediumraum geführt. Dadurch ist ein Hochdruckzylinder und ein Niederdruckzylinder bereitgestellt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystems;
2 eine detaillierte Darstellung eines Freikolbenmotors des Freikolbenmotorsystems gemäß 1;
3(a)–(d) den zeitlichen Ablauf von Ventilbetätigungen bei dem Freikolbenmotorsystem gemäß 1;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotors;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors;
6 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Freikolbenmotors; und
7 eine schematische Teil-Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Freikolbenmotors.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystems, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst (mindestens) einen Freikolbenmotor 12 (1 und 2). In 1 ist der Freikolbenmotor 12 nur schematisch angedeutet.
Der Freikolbenmotor 12 umfasst eine Kolbenaufnahme 14 (Zylinder). In der Kolbenaufnahme 14 ist eine Kolbeneinrichtung 16 linear beweglich angeordnet. Die Kolbeneinrichtung 16 umfasst bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Kolben 18 und einen zweiten Kolben 20. Der erste Kolben 18 und der zweite Kolben 20 sind durch eine Kolbenstange 22 miteinander verbunden, wobei der erste Kolben 18 und der zweite Kolben 20 beabstandet zueinander sind.
Der erste Kolben 18 begrenzt mit einer entsprechenden Kolbenfläche 24 einen Expansionsraum 26. Der Expansionsraum 26 ist ein Antriebs-Zylinderraum. In ihm kann ein Medium beispielsweise durch einen Verbrennungsvorgang expandieren und eine entsprechende Kraft auf die Kolbenfläche 24 ausüben.
Dadurch wird die Kolbeneinrichtung 16 angetrieben in einer ersten Richtung 28 bewegt. (Die Kolbeneinrichtung 16 ist entsprechend linear beweglich gelagert.)
Dem Expansionsraum 26 ist (mindestens) ein Einlass 30 und (mindestens) ein Auslass 32 zugeordnet. Über den oder die Einlässe 30 ist Medium zur Expansion oder sind Vorgängermedien wie insbesondere Brennstoff und Oxidator (getrennt oder als Gemisch) einkoppelbar. Über den Auslass 32 ist expandiertes Medium oder Produktmedium abführbar. Insbesondere sind über den Auslass 32 Abgase (im Sinne von Verbrennungsprodukten oder expandiertem Medium) abführbar.
Dem Einlass 30 ist ein steuerbares Ventil V₁ zugeordnet. Dem Auslass 32 ist ein steuerbares Ventil V₂ zugeordnet.
Der zweite Kolben 20 begrenzt mit einer Kolbenfläche 34 einen Arbeitsmediumraum 36 (Rückstell-Zylinderraum), welcher ebenfalls in der Kolbenaufnahme 14 angeordnet ist. In den Arbeitsmediumraum 36 ist ein Arbeitsmedium einkoppelbar, welches eine Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung 16 bereitstellt, um die Kolbeneinrichtung 16 in einer Gegenrichtung 38 zu der ersten Richtung 28 zurückzubewegen.
Die Kolbeneinrichtung 16 ist zwischen dem Expansionsraum 26 und dem Arbeitsmediumraum 36 positioniert, wobei das Volumen des Expansionsraums 26 und das Volumen des Arbeitsmediumraums 36 abhängig von der Position der Kolbeneinrichtung 16 ist. An der Kolbenaufnahme 14 ist der Expansionsraum 36 durch eine Stirnseite 40 dieser Kolbenaufnahme 14 begrenzt. Der mindestens eine Einlass 30 und der mindestens eine Auslass 32 sind vorzugsweise an dieser Stirnseite 40 angeordnet.
Die Kolbenaufnahme 14 weist eine der Stirnseite 40 gegenüberliegende Stirnseite 42 auf, welche den Expansionsraum 36 begrenzt.
Dem Arbeitsmediumraum 36 ist (mindestens) ein Einlass 44 zugeordnet, über welchen Arbeitsmedium in den Arbeitsmediumraum 36 einkoppelbar ist. Ferner ist dem Arbeitsmediumraum 36 ein Auslass 46 zugeordnet, über welchen Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumraum 36 auskoppelbar ist. An dem Einlass 44 sitzt ein steuerbares Ventil V₃. An dem Auslass 46 sitzt ein steuerbares Ventil V₄. Der Einlass 44 und der Auslass 46 sind vorzugsweise an der Stirnseite 42 angeordnet.
Der Freikolbenmotor 12 weist einen elektrischen Lineartrieb 48 auf, welcher eine Statoreinrichtung 50 und eine Läufereinrichtung 52 umfasst. Die Statoreinrichtung 50 ist ortsfest bezüglich der Kolbenaufnahme 14 angeordnet und umfasst beispielsweise eine oder mehrere Spulen 54. Eine Spule 54 umgibt die Kolbenaufnahme 14. Die Läufereinrichtung 52, welche insbesondere eine Mehrzahl von permanentmagnetischen Elementen umfasst, ist an der Kolbeneinrichtung 16 fest angeordnet und bewegt sich mit dieser.
Über den elektrischen Lineartrieb 48 ist durch die Linearbewegung der Kolbeneinrichtung 16 ein elektrischer Strom erzeugbar. Über entsprechende Beschaltung des elektrischen Lineartriebs 48 ist auch die Position der Kolbeneinrichtung 16 einstellbar.
Der Freikolbenmotor 12 weist eine Kühleinrichtung 56 auf, welche insbesondere einen Kühlmantel 58 für den elektrischen Lineartrieb 48 umfasst. Dieser Kühlmantel 58 ist mindestens teilweise in einem Bereich angeordnet, welcher die Läufereinrichtung 52 umgibt.
Das Freikolbenmotorsystem 10 umfasst eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 60, welche signalwirksam mit den Ventilen V₁, V₂, V₃, V₄ verbunden ist. Diese Ventile sind durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 60 ansteuerbar und insbesondere in einer definierten zeitlichen Reihenfolge ansteuerbar.
An dem Expansionsraum 26 und dem Arbeitsmediumraum 36 sind Sensoren angeordnet, um insbesondere Druck und Temperatur zu messen (in den Zeichnungen nicht gezeigt). Diese Sensoren stellen ihre entsprechenden Sensorsignale der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 60 bereit (in 1 durch die Leitungen 62 angedeutet).
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 60 ist vorzugsweise auch an den elektrischen Lineartrieb 48 signalwirksam gekoppelt, um beispielsweise gegebenenfalls die Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 16 beeinflussen zu können. Es kann auch eine Sensoreinrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise die momentane Position der Kolbeneinrichtung 16 misst und die entsprechenden Signale der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 60 bereitstellt.
Der Expansionsraum 26 ist insbesondere als Verbrennungsraum ausgebildet. Es kann eine Zündeinrichtung vorgesehen sein, um ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch zu zünden (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Dem Expansionsraum 26 kann auch eine Einspritzeinrichtung zugeordnet sein.
Durch eine sich zeitlich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum, beispielsweise durch eine sich zeitlich wiederholende Verbrennung von Brennstoff, wird die Kolbeneinrichtung 16 in einer Oszillationsbewegung angetrieben. Die Kolbeneinrichtung 16 bewegt sich dabei zwischen einem bezogen auf den Expansionsraum 26 unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT). Der untere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 18 seinen größten Abstand zu der Stirnseite 40 hat. Der obere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 18 den kleinsten Abstand zu der Stirnseite 40 hat. Eine Auslenkung der Kolbeneinrichtung 16 bezieht sich auf den Abstand zu der Stirnseite 40 in der ersten Richtung 28. Ein Kolbenhub ist der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt.
Der Arbeitsmediumraum 36 ist ein Rückfederraum. Dampfförmiges Arbeitsmedium wird in diesen eingekoppelt, expandiert dort und treibt die Kolbeneinrichtung 16 zurück und bewirkt dadurch die Oszillationsbewegung.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Aufbereitung von Arbeitsmedium vorgesehen.
Das Freikolbenmotorsystem 10 umfasst einen Kreislauf 64 (1), in dem Arbeitsmedium führbar ist, wobei in dem Kreislauf Arbeitsmedium erhitzbar ist und insbesondere aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugbar ist. Ferner ist in dem Kreislauf 64 Arbeitsmedium abkühlbar und kondensierbar, damit flüssiges Arbeitsmedium als Kühlmittel für die Kühleinrichtung 56 verwendbar ist.
Das Freikolbenmotorsystem 10 umfasst eine als Ganzes mit 66 bezeichnete Wärmeübertragungseinrichtung für Arbeitsmedium. Die Wärmeübertragungseinrichtung 66 weist einen ersten Wärmeübertrager 68 auf. Der erste Wärmeübertrager 68 ist insbesondere als Dampferzeuger ausgebildet. Der erste Wärmeübertrager 68 weist einen ersten Eingang 70 auf und weist einen ersten Ausgang 72 auf. Der erste Eingang 70 des ersten Wärmeübertragers 68 ist fluidwirksam mit dem Auslass 32 des Expansionsraums 26 des Freikolbenmotors 12 verbunden. Heiße Abgase aus dem Expansionsraum 26 können dadurch dem ersten Wärmeübertrager 68 als Hitzequelle zugeführt werden und Arbeitsmedium in dem ersten Wärmeübertrager 68 erhitzen.
Der erste Eingang 70 ist mit dem ersten Ausgang 72 über eine entsprechende Erhitzungsstrecke in dem ersten Wärmeübertrager 68 verbunden. Abgekühlte Abgase können an dem zweiten Ausgang 72 ausgekoppelt werden.
Der erste Wärmeübertrager 68 weist ferner einen zweiten Eingang 74 für Arbeitsmedium und einen zweiten Ausgang 76 für Arbeitsmedium auf. Zwischen dem zweiten Eingang 74 und dem zweiten Ausgang 76 liegt eine Erhitzungsstrecke 78. An dem zweiten Eingang 74 ist flüssiges Arbeitsmedium einkoppelbar. An dem zweiten Ausgang 76 ist dampfförmiges Arbeitsmedium auskoppelbar.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass dem zweiten Ausgang 76 ein Flüssigkeitsabscheider nachgeordnet ist (in den Zeichnungen nicht gezeigt), um in einem eventuellen Zweiphasengemisch Flüssigkeit von Dampf zu trennen.
Der zweite Ausgang 76 des ersten Wärmeübertragers 68 ist fluidwirksam mit dem Einlass 44 des Arbeitsmediumraums 36 verbunden. Dadurch lässt sich dampfförmiges Arbeitsmedium als Rückfedermedium in den Arbeitsmediumraum 36 einkoppeln.
Expandierendes (sich entspannendes) dampfförmiges Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumraum 36 bewegt die Kolbeneinrichtung 16 in der Gegenrichtung 38 zu der ersten Richtung 28. Dabei kühlt sich das dampfförmige Arbeitsmedium ab.
Zwischen dem zweiten Eingang 74 und dem Einlass 44 ist eine Leitung 80 angeordnet. Es kann dabei vorgesehen sein, dass an der Leitung 80 oder an dem Einlass 44 eine Zuführungseinrichtung 82 für dampfförmiges Arbeitsmedium angeordnet ist, um, falls notwendig, zusätzliches dampfförmiges Arbeitsmedium bereitzustellen.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass der erste Wärmeübertrager 68 eine Zusatzheizung 84 aufweist, um eine Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium sicherzustellen.
Von dem Auslass 46 des Arbeitsmediumraums 36 führt eine Leitung 86 zu einem ersten Eingang 88 eines zweiten Wärmeübertragers 90. Dieser zweite Wärmeübertrager 90 weist einen ersten Ausgang 92 auf, welcher fluidwirksam mit einem Eingang 94 der Kühleinrichtung 56 verbunden ist.
Zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 90 und der Kühleinrichtung 56 ist eine Pumpe 96 zur Förderung von Arbeitsmedium in dem Kreislauf 64 angeordnet.
Der zweite Wärmeübertrager 90 weist einen zweiten Eingang 98 auf und weist einen zweiten Ausgang 100 auf. Zwischen dem zweiten Eingang 98 und dem zweiten Ausgang 100 ist ein Kühlmedium durchführbar, um Arbeitsmedium so abzukühlen, dass an dem ersten Ausgang 92 des zweiten Wärmeübertragers 90 abgekühltes flüssiges Arbeitsmedium bereitsteht, welches der Kühleinrichtung 56 zugeführt wird. Der zweite Wärmeübertrager 90 ist insbesondere als Kondensator ausgebildet.
Der zweite Eingang 74 des ersten Wärmeübertragers 68 ist mit einem Ausgang 102 der Kühleinrichtung 56 verbunden. Die Kühleinrichtung 56 stellt einen dritten Wärmeübertrager dar. Der Kühleinrichtung 56 wird abgekühltes flüssiges Arbeitsmedium bereitgestellt, wobei das Arbeitsmedium als Kühlmittel wirkt und den Freikolbenmotor 12 und insbesondere den elektrischen Lineartrieb 48 kühlt. Dadurch wird das flüssige Arbeitsmedium erwärmt und dem ersten Wärmeübertrager 68 wird vorgewärmtes flüssiges Arbeitsmedium zur Verdampfung bereitgestellt.
Zwischen dem Eingang 94 und dem Ausgang 102 der Kühleinrichtung 56 liegt entsprechend eine Kühlstrecke, welche am Kühlmantel 58 gebildet ist.
An den Arbeitsmediumraum 36 grenzt ein Zwischenraum 104, welcher durch den zweiten Kolben 20 begrenzt ist mit einer Seite, welche der Kolbenfläche 34 gegenüberliegt. Dieser Zwischenraum 104 ist zwischen dem Expansionsraum 26 und dem Arbeitsmediumraum 36 angeordnet. In dem Zwischenraum 104 ist die Kolbenstange 22 positioniert. Ebenfalls ist die Läufereinrichtung 52 in dem Zwischenraum 104 positioniert. Das Volumen des Zwischenraums 104 ist im Gegensatz zum Volumen des Arbeitsmediumraums 36 nicht variabel.
Dem Zwischenraum 104 ist bei einem Ausführungsbeispiel eine Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 106 zugeordnet, durch welche ein Unterdruck im Zwischenraum 104 gegenüber dem Arbeitsmediumraum 36 einstellbar ist. Dadurch wird verhindert, dass irgendein Medium aus dem Zwischenraum 104, wie beispielsweise in diesen eindringende Medien aus dem Expansionsraum 26 aufgrund von Undichtigkeiten, in den Arbeitsmediumraum 36 gelangen können.
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass die Unterdruckbeaufschlagung durch die Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung 106 dynamisch geregelt wird. Auch eine statische Unterdruckbeaufschlagung ist möglich.
Das erfindungsgemäße Freikolbenmotorsystem 10 funktioniert wie folgt:
Durch Expansion des Mediums in dem Expansionsraum 26 wird die Kolbeneinrichtung 16 angetrieben. Das dampfförmige Arbeitsmedium in dem Arbeitsmediumraum 36 treibt die Kolbeneinrichtung 16 in der Gegenrichtung 38 zu der ersten Richtung 28 zurück. Dadurch lässt sich eine oszillierende Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 erreichen. Durch die Bewegung der Läufereinrichtung 52 zu der Statoreinrichtung 50 wird ein elektrischer Strom induziert, der nutzbar ist. Der elektrische Lineartrieb 48 kann auch zur Beeinflussung der Bewegung und der Position der Kolbeneinrichtung 16 verwendet werden. Insbesondere ist ein variabler Hub einstellbar. Ferner sind der obere Totpunkt und der untere Totpunkt der Kolbeneinrichtung 16 einstellbar. Grundsätzlich ist auch das Verdichtungsverhältnis sowohl in dem Expansionsraum 26 als auch in dem Arbeitsmediumraum 36 einstellbar.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird über den Einlass 44 gesteuert dampfförmiges Arbeitsmedium in den Arbeitsmediumraum 36 eingekoppelt. Das dampfförmige Arbeitsmedium kann in dem Arbeitsmediumraum 36 expandieren und wirkt dabei auf den zweiten Kolben 20 und bewegt die Kolbeneinrichtung in die Gegenrichtung 38. Das dampfförmige Arbeitsmedium kühlt dabei ab. Über den Auslass 46 wird es abgeführt und an dem zweiten Wärmeübertrager 90 abgekühlt.
Der zweite Wärmeübertrager 90 ist insbesondere ein Kondensator, an dem dampfförmiges Arbeitsmedium kondensiert. Das flüssige Arbeitsmedium wird der Kühleinrichtung 56 zugeführt. Es wirkt als Kühlmittel und durchläuft den Kühlmantel 58. Es erwärmt sich dabei. Dieses erwärmte flüssige Arbeitsmedium tritt in den ersten Wärmeübertrager 68 ein und wird dort erhitzt; es wird dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugt, welches wiederum dem Einlass 44 zugeführt wird.
Die entsprechende Einkopplungs- und Auskopplungssteuerung an Arbeitsmedium an dem Arbeitsmediumraum 36 erfolgt synchronisiert mit der Steuerung des Expansionsraums 26.
In 3 sind schematisch Zeitfolgen für die steuerbaren Ventile V₁, V₂, V₃ und V₄ für einen Zyklus der Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 gezeigt. Die Abszisse ist dabei ein virtueller Winkel der Bewegung der Kolbeneinrichtung 16. Der virtuelle Winkel von 0° (von 360°) entspricht dem unteren Totpunkt und der virtuelle Winkel von 180° entspricht dem oberen Totpunkt.
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts OT und für einen bestimmten Zeitraum nach Erreichen des oberen Totpunkts OT wird das Ventil V₁ geöffnet. Dadurch kann, wenn der Expansionsraum 26 ein Verbrennungsraum ist, Brennstoff und Oxidator in den Expansionsraum 26 eingekoppelt werden (3(a)). Zu der übrigen Zeit ist das Ventil V₁ geschlossen.
Das Ventil V₂ wird bereits etwas früher vor Erreichen des oberen Totpunkts geöffnet, sodass Abgase abgeführt werden können. Es wird etwas früher als das Ventil V₁ geschlossen (3(b)).
Die Ventile V₃ und V₄ sind geschlossen, wenn die Kolbeneinrichtung 16 im unteren Totpunkt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Puffer an Arbeitsmedium sich in dem Arbeitsmediumraum 36 befindet, um insbesondere ein Anschlagen des zweiten Kolbens 20 an die Stirnseite 42 zu verhindern.
Kurz nach Erreichen des unteren Totpunkts wird das Ventil V₃ geöffnet und es wird dadurch dampfförmiges Arbeitsmedium in den Arbeitsmediumraum 36 eingekoppelt. Während der Einführung von dampfförmigem Arbeitsmedium über den Einlass 44 ist der Auslass 46 (Ventil V₄) geschlossen (3(c) und (d)).
Das Ventil V₃ ist so lange geöffnet, dass sich eine ausreichende Rückstellkraft ergibt, wobei der Zeitraum des geöffneten Ventils V₃ nicht mit einem Zeitraum der Öffnung der Ventile V₁ und V₂ überlappt.
Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts wird das Ventil V₄ geöffnet, sodass entspanntes dampfförmiges Arbeitsmedium über den Auslass 46 abgeführt werden kann. Während der Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 in der ersten Richtung 28 kann das Ventil V₄ geöffnet bleiben, solange der untere Totpunkt UT noch nicht erreicht ist (3(d)).
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Abwärmestrom des Freikolbenmotors 12 zur Erhitzung von Arbeitsmedium und zur Erzeugung von dampfförmigem Arbeitsmedium aus flüssigem Arbeitsmedium genutzt. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird wiederum zur Bildung einer Gasfeder zur Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung 16 genutzt. Dadurch wird der Gesamtwirkungsgrad des Freikolbenmotors 12 im Freikolbenmotorsystem 10 erhöht. Die Nutzung der Abwärme des Freikolbenmotors 12 lässt sich mit verhältnismäßig geringem apparativem Aufwand durchführen.
Das Freikolbenmotorsystem 10 lässt sich als hoch effiziente, vielstofffähige stationäre oder mobile Stromerzeugungseinheit einsetzen. Es ist auch als Primäraggregat beispielsweise eines Fahrzeugs verwendbar. Der Freikolbenmotor 12 kann beispielsweise im Zweitaktbetrieb oder Viertaktbetrieb betrieben werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotorsystems, welches in 4 schematisch gezeigt ist, wobei für gleiche Elemente wie bei dem System gemäß den 1 und 2 gleiche Bezugszeichen verwendet werden, ist wiederum ein Freikolbenmotor 12 vorgesehen, dessen Abwärme zur Erhitzung von Arbeitsmedium durch einen ersten Wärmeübertrager 68 einer Wärmeübertragungseinrichtung 66 genutzt wird.
Es ist weiterhin ein zweiter Wärmeübertrager 90 vorgesehen, welcher abgekühltes Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumraum 16 erhält.
Diesem zweiten Wärmeübertrager 90 ist eine Bereitstellungseinrichtung 201 für dampfförmiges Arbeitsmedium mit einem Kondensatbehälter 200 zugeordnet. An dem zweiten Wärmeübertrager 90 abgekühltes und kondensiertes Arbeitsmedium wird in dem Kondensatbehälter 200 gesammelt.
Ein Eingang 94 einer Kühleinrichtung 56 für den Freikolbenmotor 12 ist fluidwirksam mit dem Kondensatbehälter 200 verbunden; flüssiges Arbeitsmedium für die Kühlung des Freikolbenmotors 12 wird aus dem Kondensatbehälter 200 entnommen.
Dem Kondensatbehälter 200 ist eine Speichereinrichtung 202 der Bereitstellungseinrichtung 201 zugeordnet, welche einen oder mehrere Speicherbehälter umfasst. Die Speichereinrichtung 202 ist mit dem Kondensatbehälter 200 fluidwirksam verbunden; flüssiges Arbeitsmedium aus dem Kondensatbehälter 200 ist der Speichereinrichtung 202 zuführbar. Die Speichereinrichtung 202 lässt sich mit Arbeitsmediumkondensat aus dem Kondensatbehälter 200 befüllen. Es ist dazu zwischen dem Kondensatbehälter 200 und der Speichereinrichtung 202 eine Leitung 204 angeordnet. Der Kondensatbehälter 200 hat einen ersten Ausgang 206, über welchen Kondensat entnehmbar ist und der Speichereinrichtung 202 zuführbar.
Bei einem Ausführungsbeispiel liegt die Speichereinrichtung 202 auf niedrigerem Gravitationspotential als der Kondensatbehälter 200. Es lässt sich dadurch Arbeitsmedium von dem Kondensatbehälter 200 zu der Speichereinrichtung 202 aufgrund Schwerkraftwirkung befördern, ohne dass eine Pumpe oder dergleichen vorgesehen werden muss.
In der Leitung 204 ist zwischen dem Kondensatbehälter 200 und der Speichereinrichtung 202 ein Rückschlagventil 208 angeordnet. Dies ist beispielsweise so eingestellt, dass, wenn eine bestimmte Druckdifferenz zwischen dem Kondensatbehälter 200 und der Speichereinrichtung 202 herrscht, diese automatisch zumindest bis zu einer gewissen Schwelle befüllt wird.
Der Kondensatbehälter 200 hat einen zweiten Ausgang 210, über den flüssiges Arbeitsmedium für die Kühleinrichtung 56 entnehmbar ist. Über eine Leitung 212 ist der zweite Ausgang 210 mit dem Eingang 94 der Kühleinrichtung 56 verbunden. Die Pumpe 96 sitzt in der Leitung 212.
Der Speichereinrichtung 202 ist eine Heizeinrichtung 214 zugeordnet. Die Heizeinrichtung 214 ist insbesondere durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 60 ansteuerbar. Die Heizeinrichtung 214 ist eine bezogen auf den Freikolbenmotor 12 externe Heizeinrichtung. Sie lässt sich unabhängig von dem Betrieb des Freikolbenmotors 12 betreiben.
Von der Speichereinrichtung 202 führt eine Leitung 216 zu dem Arbeitsmediumraum 16 und mündet in diesen über einen (zweiten) Eingang 218. Der Einlass 44, welcher an den ersten Wärmeübertrager 68 gekoppelt ist, ist damit ein erster Eingang. In den Arbeitsmediumraum 36 lässt sich dampfförmiges Medium, welches an dem ersten Wärmeübertrager 68 erzeugt wurde, einkoppeln. Ferner lässt sich dampfförmiges Arbeitsmedium an dem zweiten Eingang 218 einkoppeln, wobei dieses dampfförmige Arbeitsmedium durch Erhitzen von flüssigem Arbeitsmedium in der Speichereinrichtung 202 erzeugt wurde.
Grundsätzlich funktioniert das in 4 gezeigte System gleich wie das im Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschriebene System, wobei Zusatzoptionen durch die Speichereinrichtung 202 bestehen. In der Speichereinrichtung 202 lässt sich flüssiges Arbeitsmedium und gegebenenfalls auch erzeugtes dampfförmiges Arbeitsmedium speichern. Dies kann beispielsweise zur Bereitstellung der Rückstellkraft an dem Freikolbenmotor 12 benutzt werden, wenn über den ersten Wärmeübertrager 68 nicht genügend dampfförmiges Arbeitsmedium bereitgestellt wird. Dies kann insbesondere im Falle eines Anfahrtvorgangs des entsprechenden Systems sein.
Über die Speichereinrichtung 202 mit der Heizeinrichtung 240 lässt sich dann unabhängig von dem Betrieb des Freikolbenmotors 12 dampfförmiges Arbeitsmedium bereitstellen, um entsprechend für die Rückstellkraft beispielsweise beim Hochfahren des Systems zu sorgen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welcher in einem erfindungsgemäßen Freikolbenmotorsystem einsetzbar ist und welcher in 5 gezeigt und dort mit 108 bezeichnet ist, ist innerhalb einer Kolbenaufnahme 110 eine Kolbeneinrichtung 112 linear beweglich angeordnet. Die Kolbeneinrichtung 112 begrenzt zu einer Seite hin einen ersten Expansionsraum 114, in welchem ein Medium expandierbar ist, um die Kolbeneinrichtung 112 in der Linearbewegung anzutreiben. Dieser Expansionsraum 114 ist beispielsweise ein Verbrennungsraum.
An der anderen Seite ist die Kolbeneinrichtung 112 durch einen Arbeitsmediumraum 116 begrenzt, in welchem als Gasfeder dampfförmiges Arbeitsmedium verwendet wird.
Der erste Expansionsraum 114 weist einen Einlass 118 mit einem steuerbaren Ventil V₁ auf und einen Auslass 120 mit einem steuerbaren Ventil V₂.
Der Arbeitsmediumraum 116 weist einen Einlass 122 mit einem steuerbaren Ventil V₅ und einen Auslass 124 mit einem steuerbaren Ventil V₆ auf.
Die Kolbeneinrichtung 112 umfasst einen ersten Kolben 126, welcher dem ersten Expansionsraum 114 zugewandt ist. Ferner umfasst sie einen zweiten Kolben 128, welcher dem Arbeitsmediumraum 116 zugewandt ist. Der erste Kolben 126 und der zweite Kolben 128 sind durch eine Kolbenstange 130 verbunden.
Zwischen dem ersten Expansionsraum 114 und dem Arbeitsmediumraum 116 ist ein zweiter Expansionsraum 132 angeordnet. Der zweite Expansionsraum 132 ist durch eine Wand 134 gegenüber einem Zwischenraum 136 abgedichtet abgeschlossen. Dieser Zwischenraum 136 liegt zwischen dem ersten Expansionsraum 114 und dem zweiten Expansionsraum 132. In diesem Zwischenraum 136 ist eine Läufereinrichtung 138 eines elektrischen Lineartriebs 140 (beweglich) positioniert.
Die Wand 134 weist eine abgedichtete Öffnung 142 auf, durch welche die Kolbenstange 130 durchgetaucht ist.
An der Wand 134 ist ein Einlass 144 mit einem Ventil V₃ angeordnet. Ferner ist an dieser Wand 134 ein Auslass 146 mit einem Ventil V₄ angeordnet.
Die Ventile V₁, V₂, V₃, V₄, V₅ und V₆ sind über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung synchronisiert ansteuerbar.
Der zweite Expansionsraum 132 ist zu dem Arbeitsmediumraum 116 durch den zweiten Kolben 128 begrenzt, wobei eine erste Kolbenfläche 148a zu dem Arbeitsmediumraum 116 weist und eine zweite Kolbenfläche 148b zu dem zweiten Expansionsraum 132 weist. Die erste Kolbenfläche 148a liegt der zweiten Kolbenfläche 148b gegenüber.
Das Volumen des zweiten Expansionsraums 132 verändert sich reziprok zu dem Volumen des Arbeitsmediumraums 116.
In den zweiten Expansionsraum 132 wird dampfförmiges Arbeitsmedium eingekoppelt (zu einem geeigneten Zeitpunkt). Dadurch wird eine Kraft auf die Kolbeneinrichtung 112 ausgeübt, welche diese in der ersten Richtung 28 treibt. Über den Auslass 146 ist entsprechendes Arbeitsmedium auskoppelbar (nach Entspannung).
In der Kolbenaufnahme 110 sind dadurch zwei Antriebszylinder gebildet, nämlich über den ersten Expansionsraum 114 und den zweiten Expansionsraum 132. Durch geeignete Einkopplung von Arbeitsmedium in den zweiten Expansionsraum 132 wird die Kolbeneinrichtung 112 gleichzeitig und/oder zeitlich versetzt an dem ersten Kolben 126 und an der zweiten Kolbenfläche 148b des zweiten Kolbens 128 mit Medium beaufschlagt, wobei das Medium in dem ersten Expansionsraum 114 und das Medium in dem zweiten Expansionsraum 132 unterschiedlich sein kann.
In den Arbeitsmediumraum 116 wird dampfförmiges Arbeitsmedium eingeführt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass (entspanntes) dampfförmiges Arbeitsmedium über eine Leitung 150 über den Auslass 146 von dem zweiten Expansionsraum 132 in den Arbeitsmedium 116 geführt wird. Dadurch wird Arbeitsmedium zweifach genutzt, nämlich zum einen zur Bewegung der Kolbeneinrichtung 112 in der ersten Richtung 28 und zum anderen zur Bereitstellung einer Rückstellkraft zur Bewegung der Kolbeneinrichtung 112 in der Gegenrichtung 38.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass an der Leitung 150 eine Zuführungseinrichtung 152 angeschlossen ist, über welche dampfförmiges Arbeitsmedium beispielsweise aus dem Kreislauf 64 (siehe 1) in den Arbeitsmediumraum 116 einkoppelbar ist.
Bei dem Freikolbenmotor 108 liegt über dem zweiten Expansionsraum 132 an den Arbeitsmediumraum 116 ein doppelwirkender Dampfzylinder vor.
Insbesondere ist der Einlass 144 mit dem zweiten Ausgang 76 des Wärmeübertragers verbunden. Dadurch wird dampfförmiges Arbeitsmedium, welches durch Abwärme des Freikolbenmotors 108 erhitzt ist, zunächst dem zweiten Expansionsraum 132 bereitgestellt. Das hochenergetische dampfförmige Arbeitsmedium kann dort entspannen und zum Antrieb der Kolbeneinrichtung 112 in der Richtung 28 beitragen. Das abgekühlte aber noch dampfförmige Arbeitsmedium wird dann zur Bereitstellung der Rückstellkraft in der Richtung 38 benutzt.
Alternativ ist es möglich, dass der zweite Kolben 128 von dem zweiten Expansionsraum 132 und von dem Arbeitsmediumraum 116 her jeweils mit Frischdampf beispielsweise aus dem Kreislauf 64 beaufschlagt wird.
Die zweite Kolbenfläche 148b ist kleiner als die erste Kolbenfläche 148a aufgrund der Kolbenstange 130. Der Durchmesser der Kolbenstange 130 an der zweiten Kolbenfläche 148b bestimmt das Volumenverhältnis von "Hochdruck" im zweiten Expansionsraum 132 zu "Niederdruck" im Arbeitsmediumraum 116.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (6) ist ein Freikolbenmotor 300 vorgesehen, welcher eine Kolbenaufnahme 302 umfasst. In dieser ist eine Kolbeneinrichtung 304 mit einem ersten Kolben 306 und einem zweiten Kolben 308 angeordnet, wobei die Kolben 306 und 308 miteinander verbunden sind. Der erste Kolben 306 begrenzt einen Expansionsraum 310 und der zweite Kolben 308 begrenzt einen Arbeitsmediumraum 312.
In dem Expansionsraum 310 kann ein Medium beispielsweise über Verbrennung expandieren und die Kolbeneinrichtung 304 in Richtung zu dem Arbeitsmedium 312 treiben. Dampfförmiges Arbeitsmedium, welches in den Arbeitsmediumraum 312 eingekoppelt wird, sorgt für eine entsprechende Rückstellkraft, wie oben bereits beschrieben.
Der erste Kolben 306 und der zweite Kolben 308 sind gegenüber der Kolbenaufnahme 302 abgedichtet.
Zwischen dem ersten Kolben 306 und dem zweiten Kolben 308 ist ein Trennraum 314 angeordnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind der erste Kolben 306 und der zweite Kolben 308 mantelseitig über eine Wandung 316, welche insbesondere eine Ringwandung ist, verbunden, wobei der Trennraum 314 innerhalb der Wandung 316 liegt.
Der zweite Kolben 308 ist mit einer Kolbenstange 318 verbunden. Die Kolbenstange 318 ist durch den Arbeitsmediumraum 312 geführt. Die Kolbenaufnahme 302 weist eine Stirnwand 320 auf, welche den Arbeitsmediumraum 312 begrenzt. Die Kolbenstange 318 ist durch eine Ausnehmung 322 durch die Stirnwand 320 durchgeführt, wobei die Durchführung fluiddicht ist.
In der Kolbenstange 318 ist (mindestens) ein Kanal 324 angeordnet, welcher innerhalb der Kolbenstange 318 zu dem zweiten Kolben 308 führt und über eine Mündung 326 in den Trennraum 314 mündet.
Durch den Kanal 324 ist (dampfförmiges) Arbeitsmedium in den Trennraum 314 geführt.
Im Betrieb des Freikolbenmotors 300 wird der Trennraum 314 durch dampfförmiges Arbeitsmedium gegenüber dem Arbeitsmedium 312 mit Überdruck beaufschlagt. Dadurch wird ein Übertritt von beispielsweise Verbrennungsgasen in den Arbeitsmediumraum 312 verhindert.
Eine Verunreinigung von Arbeitsmedium, welches den Arbeitsmediumraum 312 durchströmt, wird verhindert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 7 schematisch dargestellt ist und mit 400 bezeichnet ist, ist eine Kolbenaufnahme 402 vorgesehen, welche eine erste Untereinheit 404 und eine beabstandete zweite Untereinheit 406 umfasst. Die erste Untereinheit 404 nimmt einen ersten Kolben 408 auf. Die zweite Untereinheit 406 nimmt einen zweiten Kolben 410 auf. Der erste Kolben 408 und der zweite Kolben 410 sind über eine Kolbenstange 412, welche zwischen diesen liegt, miteinander gekoppelt und bilden eine Kolbeneinrichtung 414.
In der ersten Untereinheit 404 ist ein Expansionsraum 416 gebildet. In der zweiten Untereinheit ist ein Arbeitsmediumraum 418 gebildet.
Zwischen der ersten Untereinheit 404 und der zweiten Untereinheit 406 liegt ein Trennraum 420, durch den die Kolbenstange 412 durchgeführt ist.
Die erste Untereinheit 404 weist der zweiten Untereinheit 406 zugewandt eine Stirnwand 422 auf. Die zweite Untereinheit 406 weist der ersten Untereinheit 404 zugewandt eine Stirnwand 424 auf. Die Stirnwände 422 und 424 sind beabstandet zueinander und begrenzen den Trennraum 420.
Weiterhin ist zwischen der Stirnwand 424 und dem zweiten Kolben 410 in der zweiten Untereinheit 406 ein Trennraum 426 gebildet. Dieser Trennraum 426 ist mit (dampfförmigem) Arbeitsmedium beaufschlagbar, um einen Überdruckbeaufschlagung bezüglich dem Arbeitsmediumraum 418 zu erhalten.
In diesen Trennraum 426 wird Arbeitsmedium beispielsweise über Einlässe an der Stirnwand 424 eingekoppelt und ausgekoppelt.
Es ist auch möglich, dass die Einkopplung bzw. Auskopplung durch die Kolbenstange 412 hindurch erfolgen.
In dem Trennraum 426 und in dem Arbeitsmediumraum 418 kann dampfförmiges Arbeitsmedium expandieren und dabei in zwei Stufen expandieren. Der Trennraum 426 bildet beispielsweise einen Hochdruckzylinder aus und der Arbeitsmediumraum 418 einen Niederdruckzylinder. Es wird dadurch effektiv die Verschmutzung von Arbeitsmedium mit Verbrennungsgasen verhindert.
Ansonsten funktionieren die Freikolbenmotoren 300 und 400 wie oben beschrieben.
Bezugszeichenliste

10: Freikolbenmotorsystem
12: Freikolbenmotor
14: Kolbenaufnahme
16: Kolbeneinrichtung
18: Erster Kolben
20: Zweiter Kolben
22: Kolbenstange
24: Kolbenfläche
26: Expansionsraum
28: Erste Richtung
30: Einlass
32: Auslass
34: Kolbenfläche
36: Arbeitsmediumraum
38: Gegenrichtung
40: Stirnseite
42: Stirnseite
44: Einlass/Erster Eingang
46: Auslass
48: Elektrischer Lineartrieb
50: Statoreinrichtung
52: Läufereinrichtung
54: Spule
56: Kühleinrichtung
58: Kühlmantel
60: Steuerungs-/Regelungseinrichtung
62: Leitung
64: Kreislauf
66: Wärmeübertragungseinrichtung
68: Erster Wärmeübertrager
70: Erster Eingang
72: Erster Ausgang
74: Zweiter Eingang
76: Zweiter Ausgang
78: Erhitzungsstrecke
80: Leitung
82: Zuführungseinrichtung
84: Zusatzheizung
86: Leitung
88: Erster Eingang
90: Zweiter Wärmeübertrager
92: Erster Ausgang
94: Eingang
96: Pumpe
98: Zweiter Eingang
100: Zweiter Ausgang
102: Ausgang
104: Zwischenraum
106: Unterdruckbeaufschlagungseinrichtung
108: Freikolbenmotor
110: Kolbenaufnahme
112: Kolbeneinrichtung
114: Erster Expansionsraum
116: Arbeitsmediumraum
118: Einlass
120: Auslass
122: Einlass
124: Auslass
126: Erster Kolben
128: Zweiter Kolben
130: Kolbenstange
132: Zweiter Expansionsraum
134: Wand
136: Zwischenraum
138: Läufereinrichtung
140: Lineartrieb
142: Öffnung
144: Einlass
146: Auslass
148a: Erste Kolbenfläche
148b: Zweite Kolbenfläche
150: Leitung
152: Zuführungseinrichtung
200: Kondensatbehälter
201: Bereitstellungseinrichtung
202: Speichereinrichtung
204: Leitung
206: Erster Ausgang
208: Rückschlagventil
210: Zweiter Ausgang
212: Leitung
214: Heizeinrichtung
216: Leitung
218: Zweiter Eingang
300: Freikolbenmotor
302: Kolbenaufnahme
304: Kolbeneinrichtung
306: Erster Kolben
308: Zweiter Kolben
310: Expansionsraum
312: Arbeitsmediumraum
314: Trennraum
316: Wandung
318: Kolbenstange
320: Stirnwand
322: Ausnehmung
324: Kanal
326: Mündung
400: Freikolbenmotor
402: Kolbenaufnahme
404: Erste Untereinheit
406: Zweite Untereinheit
408: Erster Kolben
410: Zweiter Kolben
412: Kolbenstange
414: Kolbeneinrichtung
416: Expansionsraum
418: Arbeitsmediumraum
420: Trennraum
422: Stirnwand
424: Stirnwand
426: Trennraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/01556 A1 [0003]
DE 4303692 A1 [0004]
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WO 2009/156257 A1 [0008]
WO 2008037980 A2 [0009]

Claims

Freikolbenmotorsystem, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor (12; 108), welcher eine Kolbeneinrichtung (16; 112) aufweist, die unter der Wirkung eines expandierenden Mediums in einer linearen Bewegung in einer ersten Richtung (28) angetrieben ist und durch eine Rückstellkraft in einer Gegenrichtung (38) zurückbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft durch ein dampfförmiges Arbeitsmedium ausgeübt ist und dass eine Wärmeübertragungseinrichtung (66) vorgesehen ist, welche an den mindestens einen Freikolbenmotor (12; 108) gekoppelt ist und durch welche Arbeitsmedium über Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) erhitzbar ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (66) so angeordnet und ausgebildet ist, dass durch Abwärme des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugbar ist und/oder flüssiges Arbeitsmedium und/oder dampfförmiges Arbeitsmedium erhitzbar ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (66) einen Wärmeübertrager (68) aufweist, welcher bezüglich Abgasen des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) fluidwirksam an diesen gekoppelt ist und wobei über Abwärme des Abgases Arbeitsmedium erhitzbar ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (68) als Dampferzeuger ausgebildet ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolbenmotor (12; 108) eine Kühleinrichtung (56) aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmedium als Kühlmittel eingesetzt ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (68), welcher bezüglich Arbeitsmedium fluidwirksam an einen Ausgang (102) der Kühleinrichtung (56) angeschlossen ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (68) durch Abgase des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) beheizt ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (90), welcher fluidwirksam für Arbeitsmedium an einen Eingang (94) der Kühleinrichtung (56) angeschlossen ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kreislauf (64) für Arbeitsmedium.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (64) einen Wärmeübertrager (68) zur Dampferzeugung aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (64) einen Wärmeübertrager (68) zur Abkühlung von Arbeitsmedium aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (64) eine Strecke in einer Kühleinrichtung (56) des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (64) eine Pumpe (96) aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (12; 108) mindestens einen Arbeitsmediumraum (36; 116) mit mindestens einem Eingang (44; 122) für Arbeitsmedium und mindestens einem Ausgang (46; 124) für Arbeitsmedium aufweist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Arbeitsmediumraum (36; 116) durch die Kolbeneinrichtung (16; 112) begrenzt ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bereitstellungseinrichtung (201) für dampfförmiges Arbeitsmedium, durch welche unabhängig von dem Betrieb des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) mit dem expandierenden Medium dampfförmiges Arbeitsmedium bereitstellbar ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellungseinrichtung (201) eine Speichereinrichtung (202) für Arbeitsmedium und eine der Speichereinrichtung (202) zugeordnete Heizeinrichtung (214) aufweist, durch welche aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugbar ist, wobei insbesondere die Heizeinrichtung (214) unabhängig von dem mindestens einen Freikolbenmotor (12; 108) ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Kondensatbehälter (200), welcher der Speichereinrichtung (202) flüssiges Arbeitsmedium bereitstellt.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (202) auf niedrigerem Gravitationspotential als der Kondensatbehälter (200) liegt.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil und insbesondere Rückschlagventil (208) zwischen dem Kondensatbehälter (200) und der Speichereinrichtung (202) angeordnet ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatbehälter (200) mit einem Wärmeübertrager (90) verbunden ist, welcher Kondensat bereitstellt, und insbesondere dass der Wärmeübertrager (90) an einen Arbeitsmediumraum (36; 116) des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) angeschlossen ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatbehälter (200) fluidwirksam für Arbeitsmedium an einen Eingang (94) einer Kühleinrichtung (56) für den mindestens einen Freikolbenmotor (12; 108) angeschlossen ist und insbesondere Kühlmittel zur Kühlung des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) bereitstellt.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmediumraum (36; 116) des mindestens einen Freikolbenmotors (12; 108) mindestens einen ersten Eingang (44) für dampfförmiges Arbeitsmedium aufweist, welches an der Wärmeübertragungseinrichtung (66) erhitzt wurde, und einen zweiten Eingang (218) für dampfförmiges Arbeitsmedium aufweist, welcher an die Speichereinrichtung (202) gekoppelt ist.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolbenmotor (12; 108) einen elektrischen Lineartrieb (48; 140) umfasst.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung (56) zur Kühlung des elektrischen Lineartriebs (48; 140).
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolbenmotor (12; 108) mindestens einen Expansionsraum (26; 114, 132) aufweist, dem mindestens ein Einlassventil (V₁; V₁, V₃) und mindestens ein Auslassventil (V₂; V₂, V₄) zugeordnet ist, wobei in dem mindestens einen Expansionsraum (26; 144, 132) ein Medium zum Antrieb der Kolbeneinrichtung (16; 112) expandiert.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Freikolbenmotor (12; 108) mindestens einen Arbeitsmediumraum (36; 116) aufweist, dem mindestens ein Einlassventil (V₃; V₅) und mindestens ein Auslassventil (V₄; V₆) zugeordnet sind.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 27 oder 28, gekennzeichnet durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (60), durch welche die Einlassventile (V₁, V₃; V₁, V₃, V₅) und Auslassventile (V₂, V₄; V₂, V₄, V₆) abgestimmt steuerbar sind.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (60) eine Steuereinheit aufweist, welche die Einlassventile (V₁, V₃; V₁, V₃, V₅) und Auslassventile (V₂, V₄; V₂, V₄, V₆) in definierter zeitlicher Abfolge steuert.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass im unteren Totpunkt (UT) der Kolbeneinrichtung (16; 112) das mindestens eine Einlassventil (V₃) und das mindestens eine Auslassventil (V₄) des mindestens einen Arbeitsmediumraums (36; 116) geschlossen sind.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Expansionsraum (26; 114, 132) einen Verbrennungsraum umfasst.
Freikolbenmotorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Expansionsraum (26) und einem Arbeitsmediumraum (36) des mindestens einen Freikolbenmotors (12) ein Zwischenraum (104) liegt, welcher dem Arbeitsmediumraum (36) benachbart ist und welcher gegenüber dem Arbeitsmediumraum (36) unter Unterdruck steht.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Expansionsraum (310; 416) und einem Arbeitsmediumraum (312; 418) und insbesondere vor einem Arbeitsmediumraum (312; 418) mindestens ein Trennraum (314; 420) angeordnet ist, welcher gegenüber dem Arbeitsmediumraum (312; 418) mit Überdruck beaufschlagt ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trennraum (314; 420) mit Arbeitsmedium befüllt ist, um den höheren Druck zu erzeugen.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kolbenstange (318) mindestens ein Kanal (324) angeordnet ist, welcher in den mindestens einen Trennraum (314; 420) mündet.
Freikolbenmotorsystem nach einem der Ansprüche 34 bis 36, gekennzeichnet durch einen ersten Expansionsraum (114) und mindestens einen zweiten Expansionsraum (132), wobei der zweite Expansionsraum (132) zwischen dem ersten Expansionsraum (114) und einem Arbeitsmediumraum (116) liegt.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (128) der Kolbeneinrichtung (112) eine erste Kolbenfläche (148a) aufweist, welche dem Arbeitsmediumraum (116) zugewandt ist, und eine zweite Kolbenfläche (148b) aufweist, welche dem zweiten Expansionsraum (132) zugewandt ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Expansionsraum (132) mit Dampf als Antriebsmedium für die Kolbeneinrichtung (112) versorgt ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Expansionsraum (132) an die Wärmeübertragungseinrichtung (66) gekoppelt ist.
Freikolbenmotorsystem nach Anspruch 39 oder 40, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung (150) zwischen einem Ausgang (146) des zweiten Expansionsraums (132) und einem Eingang (122) des Arbeitsmediumraums (116).
Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors, bei dem eine Kolbeneinrichtung unter Wirkung eines expandierenden Mediums in einer linearen Bewegung angetrieben wird und die Kolbeneinrichtung in einer Gegenrichtung durch dampfförmiges Arbeitsmedium zurückgestellt wird, wobei das Arbeitsmedium durch Abwärme des Freikolbenmotors erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass Abgaswärme des Freikolbenmotors aus flüssigem Arbeitsmedium dampfförmiges Arbeitsmedium erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme einer Kühleinrichtung des Freikolbenmotors Arbeitsmedium erhitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass eine Medieneinkopplung in mindestens einen Expansionsraum, eine Medienauskopplung aus dem mindestens einen Expansionsraum, eine Einkopplung von dampfförmigem Arbeitsmedium in einen Arbeitsmediumraum und eine Auskopplung von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsmediumraum in ihrer zeitlichen Abfolge gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Totpunkt der Kolbeneinrichtung der Arbeitsmediumraum bezüglich Einkopplung und Auskopplung von Arbeitsmedium geschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass gesammeltes Arbeitsmediumkondensat erhitzt wird und erzeugtes dampfförmiges Arbeitsmedium der Kolbeneinrichtung zur Bereitstellung der Rückstellkraft zugeführt wird, wobei die Erhitzung durch eine von dem Freikolbenmotor unabhängige Heizeinrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmediumkondensat durch einen Wärmeübertrager bereitgestellt wird, welchem Arbeitsmedium von dem Arbeitsmediumraum des Freikolbenmotors zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmediumkondensat einem Kondensatbehälter entnommen wird, welcher auch flüssiges Arbeitsmedium für eine Kühlung des Freikolbenmotors bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 50, gekennzeichnet durch eine Unterdruckbeaufschlagung eines Raums, welcher einem Arbeitsmediumraum benachbart ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennraum zwischen einem Expansionsraum und einem Arbeitsmediumraum mit Überdruck beaufschlagt ist oder wird und insbesondere dampfförmiges Arbeitsmedium zur Überdruckbeaufschlagung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass dampfförmiges Arbeitsmedium zum Antrieb der Kolbeneinrichtung in einer ersten Richtung und zur Bereitstellung der Rückstellkraft in der Gegenrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmedium von einem zweiten Expansionsraum in einen Arbeitsmediumraum geführt wird.