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Die Erfindung betrifft einen Freikolbenlineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Steuern eines Freikolbenlineargenerators.
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Ein solcher Freikolbenlineargenerator kombiniert einen sogenannten Freikolbenmotor, also einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, und einen sogenannten elektrischen Lineargenerator zur Auskoppelung elektrischer Energie aus dem System miteinander. Ein Freikolbenmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Wärmekraftmaschine mit innerer oder äußerer Verbrennung unmittelbar mit einer Arbeitsmaschine zur Bereitstellung von pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Energie koppelt. Der Freikolben kann sich ohne kinematische Zwangsführung frei zwischen seinen Totpunkten bewegen.
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Es gibt Freikolbenlineargeneratoren, bei denen der Läufer als ringförmiger oder scheibenförmiger Magnet in direkter Verlängerung des Kolbens koaxial zur Längsachse positioniert ist und in einem ihn umgebenden ringförmigen Stator läuft.
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Darüber hinaus gibt es jedoch auch ein anderes System von Läufern und Statoren, bei denen die Läufer und Statoren nicht koaxial zur Längsachse und in unmittelbarer Verlängerung des Kolbens liegen, sondern in Gruppen seitlich der Längsachse angeordnet sind. Sieht man also in Längsrichtung auf solche Systeme, so liegen Läufer-Statorengruppen links und rechts beziehungsweise oben oder unten (Raumrichtung ist nicht eingeschränkt) nebeneinander als Pakete. Die Erfindung betrifft einen Freikolbenlineargenerator beider Systeme.
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Bei Freikolbenlineargeneratoren, die im Gegenkolbenprinzip aufgebaut sind, liegen ein Kolben und ein von ihm mechanisch getrennter Gegenkolben einander im Zylinderraum gegenüber und grenzen mit ihren Stirnseiten einen gemeinsamen Brennraum ab. Dieser Brennraum wird vergrößert, wenn Verbrennungsfluid im Brennraum verbrannt wird. Die Kolben bewegen sich auseinander und werden anschließend durch einen Rückfedermechanismus wieder zusammengeschoben. Im Brennraum müssen die Gas- und Brennstoffzufuhr sowie die Verbrennungsgasabfuhr gesteuert werden. Hierzu ist vorgesehen, dass in den Brennraum einander im Wesentlichen diametral gegenüberliegende Einlass- und Auslasskanäle münden. Die Einlass- und Auslasskanäle sind dann, wenn sich die Kolben im unteren Totpunkt befinden, offen. Im Bereich des unteren Totpunkts sind die Auslasskanäle deshalb offen, damit das Verbrennungsgas aus dem Brennraum ausströmen kann, wenn die Kolben nachfolgend aufeinander zu bewegt werden. Eine solche Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen nennt man Querspülung.
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Die Erfindung schafft einen Freikolbenlineargenerator, der im Betrieb eine verbesserte Laufleistung zeigt.
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Dies wird durch einen Freikolbenlineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie erreicht, der im Gegenkolbenprinzip aufgebaut ist, mit:
einem Zylinderraum, der eine Längsachse hat,
einem im Zylinderraum entlang der Längsachse beweglichen Kolben sowie einen im Zylinderraum entlang der Längsachse beweglichen, mechanisch vom Kolben separaten Gegenkolben, wobei Kolben und Gegenkolben mit ihren aufeinander zu gerichteten Stirnseiten innerhalb des Zylinderraums einen Brennraum abgrenzen,
mehreren mit dem Kolben und dem Gegenkolben mechanisch gekoppelten Läufern und zugeordneten Statoren, in denen jeweils elektrische Energie bei Bewegung des zugeordneten Läufers erzeugbar ist,
wobei zumindest ein Einlasskanal in den Brennraum mündet, über den Verbrennungsfluid und/oder Luft in den Brennraum eingeleitet wird,
zumindest ein Auslasskanal vom Brennraum ausgeht, über den Verbrennungsgas aus dem Brennraum entweicht,
der zumindest eine Einlasskanal oder, bei mehreren Einlasskanälen, alle Einlasskanäle im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens über eine bzw. mehrere Einlassöffnungen in den Brennraum münden, und
der zumindest eine Auslasskanal oder, bei mehreren Auslasskanälen, alle Auslasskanäle im Bereich des unteren Totpunkts des Gegenkolbens in einer bzw. mehreren Auslassöffnungen von dem Brennraum ausgehen.
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Der erfindungsgemäße Freikolbenlineargenerator arbeitet ausschließlich nach dem Längsspülungsprinzip. Das bedeutet, es sind keine einander diametral gegenüberliegenden oder im Bereich eines gemeinsamen Ringabschnitts liegenden Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen, vielmehr sind die Einlassöffnungen dem Kolben zugeordnet und an dessen unterem Totpunkt angeordnet, wogegen die Auslassöffnungen im Bereich des unteren Totpunktes des Gegenkolbens liegen. Durch diese Längsspülung wird Gas vollständiger aus dem Brennraum entfernt. Aufgrund der Tatsache, dass ein Freikolbenlineargenerator einen variablen Hub hat, wurde diese Lösung bislang nicht angedacht. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die Lösung sehr praktikabel und vorteilhaft ist.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die zumindest eine Einlassöffnung und die zumindest eine Auslassöffnung im Betrieb in vorgegebenen Positionen vom Kolben bzw. Gegenkolben verschlossen sind. Der Kolben und der Gegenkolben sind folglich dazu da, die Fluidzufuhr bzw. den Fluidauslass zu steuern, sodass keine separaten Ventile zwingend notwendig sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Bewegung von Kolben und Gegenkolben voneinander weg, das heißt in Richtung zum unteren Totpunkt, die zumindest eine Auslassöffnung oder, wenn mehrere vorhanden sind, vorzugsweise auch alle Auslassöffnungen zeitlich vor der zumindest einen oder sogar allen Auslassöffnungen geöffnet wird. Das bedeutet, der Abgasauslass erfolgt bereits im Hub in Richtung zum unteren Totpunkt, bevor die Frischgaszufuhr erfolgt, und nicht erst ab Erreichen des unteren Totpunkts.
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Durch die Längsspülung, insbesondere durch die Spülung mit einem zuerst geöffneten Auslass, verbessert sich der Spülgrad, und eine Kurzschlussspülung wird reduziert.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Auslassöffnung vor der Einlassöffnung zu öffnen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die zumindest eine Auslassöffnung näher an der axialen Mitte des Brennraums, bezogen auf die oberen Totpunkte von Kolben und Gegenkolben, liegt als die zumindest eine Einlassöffnung. Die axiale Mitte wird bestimmt, wenn sich Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt befinden, das heißt, wenn sie maximal nah aneinander liegen. Der axiale Abstand zwischen Kolben und Gegenkolben wird halbiert. Daraus ergibt sich dann die axiale Mitte des Brennraums. Vorausgesetzt, dass Kolben und Gegenkolben nicht extrem unterschiedlich schnell zum unteren Totpunkt bewegt werden, erreicht der Gegenkolben zuerst die Auslassöffnung, fährt an ihr vorbei, sodass sie freiliegt und Abgas über sie ausströmen kann.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu können sich Kolben und Gegenkolben synchron zur axialen Mitte des Brennraums bewegen. Das bedeutet, die Bewegung von Kolben und Gegenkolben ist identisch, der obere und/oder der untere Gegenkolben können ihre oberen bzw. unteren Totpunkte zu gleichen Zeitpunkten erreichen oder gleich schnell bewegt werden.
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Alternativ kann der Kolben asynchron zum Gegenkolben bewegt werden, zum Beispiel zumindest bei der Bewegung zum unteren Totpunkt hin dem Gegenkolben hinterherlaufen, das heißt, aufgrund der höheren Geschwindigkeit des Gegenkolbens erreicht dieser seinen unteren Totpunkt und die Auslassöffnung früher als der Kolben dessen Totpunkt und dessen Einlassöffnung.
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Diese unterschiedliche Geschwindigkeit der beiden Kolben kann durch eine elektrische Regelung für die Statoren erreicht werden. Der Begriff „Regelung“ steht sowohl für eine Steuerung als auch eine Regelung, wobei letztere bevorzugt ist. Diese Regelung ändert den Widerstand, der dem zugeordneten Läufer bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators entgegengesetzt wird. Über diese Regelung wird dann die Bewegung von Kolben und Gegenkolben gesteuert oder geregelt. Die Regelung steuert oder regelt den Strom in den entsprechenden Spulen der Statoren, wodurch ein Bremsen des entsprechenden Kolbens durch geringeren zugelassenen Stromfluss durch die Spule erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Geschwindigkeit oder allgemeiner die Bewegung der Kolben über veränderbare oder von Haus aus unterschiedliche Gasfedern gesteuert/geregelt werden. Beispielsweise kann die Gasmenge im Rückstellraum veränderbar sein und/oder die Rückstellkolben können unterschiedliche Kolbendurchmesser besitzen.
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Optional können die Querschnittsflächen des oder aller Einlassöffnungen identisch zu der Querschnittsfläche oder den Querschnittsflächen der oder aller Auslassöffnungen sein.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die vorgenannte elektrische Regelung den Stator des Gegenkolbens derart ansteuern kann, dass dieser dem Gegenkolben einen anderen, insbesondere geringeren Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzt als der Stator des Kolbens dem Kolben entgegensetzt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Stator aufgrund der Regelung dem Gegenkolben während des Verfahrweges, also längs des Hubes, unterschiedliche Widerstände entgegensetzt. Beispielsweise kann der Widerstand zum unteren Totpunkt hin zunehmen.
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Ferner ist es auch möglich, den Widerstand von Kolben und Gegenkolben mittels einer variablen Rückstellvorrichtung einzustellen, zum Beispiel einer einstellbaren Gasfeder.
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Vom Einlasskanal können mehrere Einlassöffnungen ausgehen und/oder mehrere Auslassöffnungen in den Auslasskanal übergehen. Damit wird die Spülung verbessert. Darüber hinaus kann auch das Einströmen von Gas schneller und gleichmäßiger erfolgen.
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Es können insbesondere Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen mit unterschiedlichem Querschnitt vorgesehen sein. Diese unterschiedlichen Querschnitte der Einlassöffnungen und/oder unterschiedliche Querschnitte der Auslassöffnungen sind darin begründet, dass die Strömung gezielt in Teilströmungen aufgeteilt wird, aber die unterschiedlichen Öffnungen unterschiedlich weit vom noch nicht aufgezweigten Kanal entfernt liegen. Damit liegen unterschiedliche Strömungsdrücke und Gasmengen in den Teilkanälen vor. Beispielsweise kann mit zunehmendem Abstand vom noch nicht aufgezweigten Abschnitt des Einlasskanals oder Auslasskanals der Querschnitt der jeweiligen Einlassöffnung oder Auslassöffnung zunehmend geringer werden.
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Wie bereits angedeutet, kann sich der Einlasskanal zu den Einlassöffnungen hin in mehrere Teilkanäle aufspalten. Diese Teilkanäle führen dann zu den Einlassöffnungen. Der letzte Teil jedes Teilkanals, der dann mit der Einlassöffnung abschließt, ist das sogenannte Einlasskanalende. Dasselbe gilt für die Auslassöffnungen. Auch diese können Teilkanäle besitzen, die bei den Auslassöffnungen mit Auslasskanalenden, also dem ersten Stück des Teilkanals, beginnen. Die Teilkanäle gehen dann in einen gemeinsamen Auslasskanal über.
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Die Einlasskanalenden und/oder die Auslasskanalenden münden in unterschiedlichen Winkeln in den Brennraum bzw. gehen von unterschiedlichen Winkeln vom Brennraum aus. Diese Winkel werden in Radialschnittansicht zur Längsachse gemessen. Durch diese unterschiedlichen Winkel soll die Durchströmung des Brennraums optimiert werden.
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In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn diejenigen Einlasskanalenden, die von einer Abzweigstelle am Einlasskanal, an der sich dieser in Teilkanäle aufspaltet, maximal entfernt sind, einen größeren Winkel zu dem Einlasskanalabschnitt unmittelbar vor dieser Abzweigstelle verläuft als die Einlasskanalenden, die näher an der Abzweigstelle liegen. Die nahe an der Abzweigstelle liegenden Einlasskanalenden verlaufen üblicherweise im Wesentlichen parallel zueinander geradlinig in den Brennraum, wogegen die entfernt verlaufenden Einlasskanalenden aufeinander zu gerichtet in den Brennraum münden.
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Im Radialschnitt gesehen können paarweise einander gegenüberliegende Einlassöffnungen vorhanden sein, die optional sogar so ausgeführt sind, dass die Einlassöffnungen symmetrisch zu einer Achse ausgerichtet sind.
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Konstruktiv lassen sich die unterschiedlichen Strömungen zu den Einlassöffnungen oder von den Auslassöffnungen dadurch leicht realisieren, dass ein vom Einlasskanal ausgehender umfangsmäßig geschlossener oder annähernd umfangsmäßig geschlossener Ringraum um den Brennraum herumführt und die Einlassöffnungen mit dem Ringraum strömungsverbunden sind. Dasselbe kann auch mit dem Auslasskanal vorgesehen sein.
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Der Querschnitt des Ringraums lässt sich mit zunehmendem Abstand vom Einlasskanal verringern, insbesondere kontinuierlich. Da mit zunehmendem Abstand vom Einlasskanalabschnitt vor dem Ringraum auch weniger Gas zur Einströmung vorhanden ist, wird der Querschnitt des Ringraums der geringeren Gasmenge angepasst.
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Der Einlasskanal, die Einlasskanalenden, der Auslasskanal und/oder die Auslasskanalenden sollten in Seitenansicht gesehen im Bereich des Übergangs zu den Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen schräg zur Längsachse verlaufen, beispielsweise schräg zur Mitte des Brennraums hin geneigt sein. Dadurch erhält das einströmende Gas eine Bewegungskomponente, die in Richtung zu den Ausströmöffnungen gerichtet ist, womit sich eine schnelle komplette Einströmung des Gases in den Brennraum erzielen lässt. Dasselbe gilt für das Ausströmen. Auch hier sollten möglichst wenig Umlenkungen in den Teilkanälen vorhanden sein.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zum Steuern des Kolbens und/oder des Gegenkolbens eines Freikolbenlineargenerators nach der Erfindung zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip ausgebildet ist und eine elektrische Regelung für die Statoren hat. Das Verfahren ist durch folgenden Schritt gekennzeichnet:
Ansteuern der Statoren derart, dass der Widerstand, der zumindest einem Läufer bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators vom Stator entgegengesetzt wird, verändert wird, sodass bei Bewegung von Kolben und Gegenkolben voneinander weg zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung geöffnet wird.
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Die Regelung kann ferner einen Stator derart ansteuern, insbesondere aber alle Statoren derart ansteuern, dass der Stator oder die Statoren dem Gegenkolben einen unterschiedlichen Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzen als der oder die dem Kolben zugeordneten Statoren dem Kolben bei dessen Bewegung in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine beispielhafte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerators, wobei Kolben und Gegenkolben im unteren Totpunkt dargestellt sind,
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2 den Freikolbenlineargenerator nach 1 mit Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt,
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3 eine Schnittansicht in Form eines Radialschnitts durch den Freikolbenlineargenerator nach 1,
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4 eine schematische Längsschnittansicht durch eine beispielhafte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerators, wobei Kolben und Gegenkolben im unteren Totpunkt dargestellt sind,
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5 den Freikolbenlineargenerator nach 4 mit Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt,
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6 eine Radialschnittansicht durch den Brennraum längs der Linie VI-VI in 1, und
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7 eine Radialschnittansicht durch den Brennraum längs der Linie VI-VI in 1 mit einer alternativen Gasführung.
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In 1 ist ein Freikolbenlineargenerator dargestellt, der einen Verbrennungsmotor in Form eines Kolbenmotors mit variablem Hub hat, über den mittels eines Lineargenerators elektrische Energie gewonnen wird.
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Der dargestellte Freikolbenlineargenerator ist in Form eines Gegenkolbensystems ausgeführt.
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In 1 ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit das Außengehäuse des Generators weggelassen. Im Inneren des Gehäuses ist ein Zylinder 10 vorhanden, in dessen Innerem ein Zylinderraum 12 ausgebildet ist. Im Zylinderraum 12 sind ein Kolben 14 und ein Gegenkolben 14‘, die nicht miteinander mechanisch verbunden sind, aufgenommen. Die Kolben 14, 14‘ sind entlang einer Längsachse A des Zylinderraums und des Generators jeweils hin- und herbeweglich und begrenzen zwischen sich einen gemeinsamen Brennraum 16, der einen Teil des Zylinderraums 12 darstellt.
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Zwischen den Kolben 14, 14‘, vorzugsweise in der axialen Mitte zwischen den Kolben 14, ist eine gedachte Radialebene R, die senkrecht zur Längsachse A verläuft, dargestellt. Der in 1 zu sehende Generator ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Radialebene R aufgebaut, sodass sich eine linke und eine rechte Hälfte ergeben, deren Aufbau im Wesentlichen identisch ist. Darüber hinaus gibt es aber auch Varianten, bei denen die linke und die rechte Hälfte etwas voneinander abweichen, was gegebenenfalls Vorteile haben kann. Im Folgenden wird zur Vereinfachung die linke Hälfte erklärt, für die rechte Hälfte gelten die entsprechenden Erläuterungen.
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Nicht dargestellt ist ein Einspritzsystem, welches Brennstoff in den Brennraum 16 einspritzen kann.
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Mit jedem Kolben 14, 14‘ ist mechanisch ein koaxial zu ihm angeordneter, eigener Rückstellkolben 18 gekoppelt, ebenso wie Läufer 20, hier in Form von plattenförmigen Läufern. Die Läufer 20 umfassen mehrere nebeneinander angeordnete oder auch nur einen Permanentmagneten 22, die beziehungsweise der insgesamt eine plattenförmige Gestalt haben beziehungsweise hat. Der oder die Permanentmagneten können auf einer Trägerplatte 24 angeordnet sein. Diese Trägerplatte 24 ist Teil des Läufers 20.
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Der Rückstellkolben 18 ist Teil einer Rückstellvorrichtung 26 und ist in Längsrichtung in einem zylindrischen Raum untergebracht, in welchem er einen sogenannten Rückstellraum 28 abgrenzt. Dadurch wird eine Gasfeder gebildet, die zum Rückstellen des Kolbens 14 vorgesehen ist.
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Die Verbindung des Kolbens 14 mit dem Rückstellkolben 18 und den beiden Läufern 20 erfolgt über ein mechanisches Verbindungssystem 30.
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Wie in 1 zu sehen ist, liegen die beiden Läufer 20 in Richtung der Längsachse A gesehen seitlich der Längsachse A und bilden ein Paar von Läufern, die bezogen auf die Längsachse A einander gegenüberliegen, vorzugsweise diametral zur Längsachse A.
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Die Läufer 20 erstrecken sich axial nicht über einen Bereich hinaus, der durch Radialebenen begrenzt wird, in denen die entgegengesetzten Stirnseiten des Kolbens 14 und seines Rückstellkolbens 18 liegen (siehe 1). Diese Stirnseiten begrenzen im Übrigen einerseits den Brennraum 16 und andererseits den Rückstellraum 28. Somit liegen die Läufer 20 und Statoren seitlich komplett entfernt vom Kolben 14 und Rückstellkolben 18 und erhöhen den axialen Bauraum nicht, obwohl sie selbst eine erhebliche axiale Länge aufweisen.
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Das Verbindungssystem 30 umfasst ein kreuzförmiges Kopplungsteil 31, welches gelenkig am zugeordneten Kolben 14, 14‘, seinem Rückstellkolben 18 sowie den Läufern 20 befestigt ist.
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In 3 ist eine schematische Schnittansicht dargestellt, deren Schnittebene im Bereich des Zylinders 10 die Radialebene R ist und radial außerhalb des Zylinders 10 versetzt hierzu liegt, nämlich längs einer Radialebene, die die beiden Befestigungen 32 des Kopplungsteils and den Läufern 20 schneidet, verläuft.
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Die Befestigungen 32 liegen diametral gegenüberliegend zur Längsachse A und in einer Radialebene.
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3 zeigt ferner, dass für die in einer Ebene liegenden plattenförmigen Läufer 20 jeweils Statoren 34, 36 vorgesehen sind, wobei die Statoren 34 obere und die Statoren 36 untere Statoren sind. Zwischen dem jeweiligen Paar von Statoren 34, 36 ergibt sich ein geringfügiger Zwischenraum 38, in den seitlich oder durch ihn hindurch der jeweilige plattenförmige Läufer 20 ragt. Die Statoren 34, 36 sind üblicherweise als Induktionsspulen, das heißt Wicklungen, ausgeführt. Durch eine relative Bewegung zwischen dem Läufer 20 und den Statoren 34, 36 wird eine Spannung beziehungsweise ein Strom induziert, sodass eine permanent erregte Synchronmaschine entsteht. Natürlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Läufer 20 die Spule und die Statoren 34, 36 den/die Permanentmagneten aufweisen.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist jeder Läufer 20 unabhängig von der Anbringung am Verbindungssystem 30 über mindestens ein Linearlager 40 oder mehrere Linearlager am Gehäuse 41 gelagert. Das oder die Linearlager 40 verlaufen parallel zur Längsachse A.
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Sämtliche Statoren sind mit einer elektrischen Regelung 42 verbunden. Entsprechende Leitungen sind nur angedeutet, um die Übersichtlichkeit zu verbessern.
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Zur Zuführung von Luft und/oder einem Gemisch aus brennbarem Fluid und Luft sind ein Einlasskanal 44 sowie ein Auslasskanal 46 in der Wand des Zylinders 10 vorgesehen. Dieser Einlasskanal 44 mündet über mehrere Einlassöffnungen 48 in den Brennraum 16, wenn der Zylinder 10 im unteren Totpunkt (siehe 1) oder nahe dem unteren Totpunkt positioniert ist. Die Einlassöffnungen 48 liegen an einer Ringfläche verteilt nahe an oder unmittelbar angrenzend an der dem Brennraum 16 zugewandten Stirnseite des Kolbens 14 (siehe 1). Das heißt, diese Einlassöffnungen 48 sind zum Brennraum 16 dann offen, wenn der Kolben 14 den unteren Totpunkt erreicht hat.
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Am entgegengesetzten Ende des Brennraums 16, bezogen auf den unteren Totpunkt, sind mehrere Auslassöffnungen 50 ebenfalls auf einer Ringfläche verteilt angeordnet. Auch hier grenzen die Auslassöffnungen 50 an die dem Brennraum 16 zugewandte Stirnseite des Gegenkolbens 14' vorzugsweise unmittelbar an oder sind in deren Nähe angeordnet. Auf jeden Fall sind die Auslassöffnungen 50 geöffnet, wenn der Gegenkolben 14' im unteren Totpunkt ist (siehe 1).
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Der Freikolbenlineargenerator wird so betrieben, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, dass bei Bewegen von Kolben 14 und Gegenkolben 14' vom oberen Totpunkt (2) in den unteren Totpunkt (1) zuerst die Auslassöffnungen geöffnet werden, bevor die Einlassöffnungen freigelegt werden. Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, sind sämtliche Einlassöffnungen dem Kolben 14 zugeordnet und an dessen unterem Totpunkt angeordnet, wogegen sämtliche Auslassöffnungen 50 dem Gegenkolben 14' zugeordnet sind und an dessen unterem Totpunkt liegen.
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Die Möglichkeiten, wie es sichergestellt werden kann, dass bei Verfahren der Kolben 14, 14' zum unteren Totpunkt zuerst die Auslassöffnungen 50 geöffnet werden, werden im Folgenden vorgestellt.
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Eine erste Option besteht darin, dass die Auslassöffnungen 50 näher an der axialen Mitte des Brennraums 16 liegen als die Einlassöffnungen 48. Die axiale Mitte des Brennraums wird auf die Position von Kolben 14 und Gegenkolben 14' in ihren oberen Totpunkten (2) bezogen, in denen die axiale Mitte die Hälfte des Abstands der Kolben 14, 14' ist. Die axiale Mitte fällt beispielsweise mit der in 1 als Radialebene R bezeichneten Symmetrieebene zusammen. Wenn beide Kolben 14, 14' in etwa die gleiche Antriebskraft erfahren und auch die gleiche Gegenkraft beispielsweise durch die Rückstellvorrichtungen 26 mit ihren Rückstellkolben 18, so bewegen sich beide Kolben 14, 14' in etwa gleich schnell vom oberen Totpunkt aus zum unteren Totpunkt. Somit kann dann der Gegenkolben 14', der ansonsten die Auslassöffnungen 50 abdeckt, diese früher freigeben, wie 1 zeigt, als der Kolben 14 die Einlassöffnungen 48.
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Die Funktionsweise des dargestellten Freikolbenlineargenerators kann nun im Folgenden kurz anhand der 1 bis 3 beschrieben werden.
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In 2 befinden sich die Kolben 14, 14' in der oberen Totpunktstellung, das heißt, sie sind maximal nahe zusammen. Im Brennraum befindlicher Treibstoff, der entweder eingespritzt wird oder zuvor über die Einlassöffnungen 48 eingebracht worden ist, wird über einen Zünder gezündet, sodass sich der Brennraum vergrößert und die Kolben 14, 14' voneinander wegbewegen.
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Über das jeweilige Verbindungssystem 30 werden die Läufer 20 zwischen ihren Statoren 34, 36 bewegt, sodass Strom induziert wird. Ferner bewegen sich die Rückstellkolben 18 so, dass der jeweilige Rückstellraum 28 kleiner wird und das darin befindliche Gas komprimiert wird. Kurz vor Erreichen des jeweils unteren Totpunkts werden zuerst die Auslassöffnungen 50 vom Gegenkolben 14' freigelegt, sodass Abgas ausströmen kann. Anschließend werden die Einlassöffnungen 48 vom daran vorbeigleitenden Kolben 14 freigelegt, sodass Frischgas oder ein Gas-Brennstoff-Gemisch in den Brennraum 16 einströmen kann. Das einströmende Gas oder Brennstoff-Gasgemisch drückt dann die Verbrennungsgase komplett aus dem Brennraum 16 heraus. Es handelt sich folglich um eine reine Längsspülung, ohne jeglichen Anteil einer Quer- oder Umkehrspülung.
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Das komprimierte Gas im jeweiligen Rückstellraum 28 führt dazu, dass der jeweilige Rückstellkolben 18 kraftbeaufschlagt wird und seinen Kolben 14, 14' in Richtung zum oberen Totpunkt bewegt. Bei der Bewegung in Richtung oberer Totpunkt schließen die Kolben 14, 14' dann wieder die Einlassöffnungen 48 und die Auslassöffnungen 50.
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Natürlich können die Rückstellräume 28 auch mit einem Gasspeicher über schaltbare Ventile verbunden sein, um das Gasvolumen den Bewegungen des Rückstellkolbens 18 anpassen zu können.
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Während bei der gerade beschriebenen Lösung sich Kolben und Gegenkolben 14 beziehungsweise 14' synchron von und zur axialen Mitte des Brennraums 16 bewegen, kann es alternativ vorteilhaft sein, wenn der Kolben 14 der Bewegung des Gegenkolbens 14' zumindest zum unteren Totpunkt hin hinterherläuft, um seinen unteren Totpunkt und damit die Einlassöffnungen 48 später zu erreichen, als der Gegenkolben 14' die Auslassöffnungen 50 erreicht hat und freigelegt hat. Die letztgenannte Variante lässt sich beispielsweise, dies ist nicht einschränkend zu verstehen, durch die elektrische Regelung 42 bewerkstelligen. Über die Regelung 42 lässt sich der Widerstand, der den Läufern 20 und damit den Kolben 14, 14' von den Statoren 34, 36 entgegengesetzt wird, bei Bewegung längs ihrer Statoren 34, 36 steuern oder regeln. Dabei ist es natürlich möglich, dass nur dem Kolben 14 ein Widerstand entgegengesetzt wird, wogegen der Gegenkolben 14' ohne einen zusätzlichen, durch die Regelung 42 hervorgerufenen Widerstand verfahren darf.
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Beispielsweise kann ein vorgegebener Zeit-Weg-Verlauf für einen oder beide Kolben 14, 14' hinterlegt sein, und über entsprechende Sensoren wird dann die jeweilige Stellung des Kolbens 14, 14' permanent abgefragt, und über den Widerstand des Stators 34, 36 wird erreicht, dass der jeweilige Kolben auch innerhalb des vorgegebenen Zeit-Weg-Diagramms bewegt wird.
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Eine weitere Option, wie die Kolben 14, 14' zeitlich unterschiedlich bewegt werden können, wird durch die Rückstellvorrichtungen realisierbar. Beispielsweise können über Ventile (Zulauf- oder Ablaufventile) die sich einstellenden Widerstände durch Veränderung der Gasmenge in den Rückstellräumen 28 eingestellt und verändert werden.
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Natürlich lassen sich auch aus sämtlichen oben genannten Varianten optimale Kombinationen erstellen.
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Die Ausführungsform nach den 4 und 5 entspricht im Wesentlichen der nach den 1 bis 3, wobei die seitlich neben der Längsachse A angeordneten Gruppen von Läufern/Statoren, hier Läufer 20 und Statoren 34, nicht seitlich neben der verfahrbaren Einheit aus Kolben 14, 14', Verbindungssystem 30 und Rückstellvorrichtung 26 angeordnet sind, sondern räumlich zwischen dem Zylinder 10 samt Kolben 14, 14' und der jeweiligen Rückstellvorrichtung. Die Statoren 34 umfassen hier ringförmige oder scheibenförmige Permanentmagneten 22, die nebeneinander angeordnet sind und innerhalb eines Stators 34 in Form einer Ringspule bewegt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Ringspule in 5 weggelassen.
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Auch bei der Ausführungsform nach den 4 und 5 werden die Auslassöffnungen 50 zeitlich vor den Einlassöffnungen 48 bei Bewegen der Kolben 14, 14' in Richtung zum unteren Totpunkt freigelegt. Dies wird identisch mit den zuvor anhand der 1 bis 3 beschriebenen Maßnahmen oder Maßnahmenkombinationen erreicht.
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Wie die 1, 2, 3 und 4 zeigen, sind mehrere Einlassöffnungen 48 und mehrere Auslassöffnungen 50 vorgesehen. 6 verdeutlicht in einem Querschnitt im Bereich der Einlassöffnungen 48, wie die Kanalführung im Inneren des Zylinders 10 aussehen kann. Der Einlasskanal 44 spaltet sich an einer Abzweigstelle 52, bis zu welcher er noch als singulärer Kanal geführt ist, in mehrere Teilkanäle auf. Zuerst werden zwei Teilkanäle gebildet, die sich zu einem Ringraum 54 ergänzen. Dieser Ringraum 54 umgibt den Brennraum 16 vollständig. Vom Ringraum 54 aus zweigen sich dann noch weitere Teilkanäle radial einwärts zum Brennraum 16 hin ab. Diese Teilkanäle sind in Radialschnittansicht gemäß 6 zu einer Symmetrieebene S symmetrisch zu dieser paarweise ausgeführt. Die zugeordneten Einlasskanalenden 56, 58 und 60 bilden die Enden der Teilkanäle, die dann in den Einlassöffnungen 48 enden. Zudem ist noch ein zentraler Teilkanal mit einem Einlasskanalende 62 vorgesehen, der auf der Symmetrieachse S liegt.
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Wie in 6 zu erkennen ist, nimmt der Querschnitt des Ringraums 54 mit zunehmendem Abstand von der Abzweigstelle 52 ab, und zwar kontinuierlich.
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Auch die Einlassöffnungen 48 können einen anderen Querschnitt mit zunehmendem Abstand vom Abzweigpunkt 52 besitzen.
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Wie in 6 jedoch zu sehen ist, ist vor allem der mit Pfeilen dargestellte Winkel der Strömung in den sich paarweise einander gegenüberliegenden Einlasskanalenden 56, 58 und 60 relativ zum Kanalabschnitt vor der Abzweigstelle 52 stark unterschiedlich. So strömt das Gas oder das Brennstoff-Gasgemisch mit zunehmendem Abstand des entsprechenden Einlasskanalendes 56 bis 60 von der Abzweigstelle 52 unter einem größeren Winkel gegenüber der Richtung des Einlasskanals 44 unmittelbar stromaufwärts der Abzweigstelle 52 und auch gegenüber der Symmetrieachse S ein. Mit diesen unterschiedlichen Strömungsrichtungen soll eine optimale Spülung erreicht werden.
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Die Länge der einzelnen Einlassöffnungen 48 in Axialrichtung sollte jeweils gleich sein.
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In den 1, 2, 3 und 4 ist auch zu sehen, dass die Einlasskanalenden und die Auslasskanalenden in Seitenansicht gesehen und im Bereich des Übergangs zu den Einlassöffnungen 48 und Auslassöffnungen 50 schräg zur Längsachse A verlaufen, und zwar schräg einwärts und schräg zur axialen Mitte des Brennraums 16 hin. Dadurch soll dem einströmenden Gas oder Brennstoff-Gasgemisch sowie dem austretenden Verbrennungsgas eine Richtung vorgegeben werden, wodurch eine schnelle Spülung erreicht werden kann.
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Die Ausführungsform nach 7 entspricht bis auf folgenden Unterschied der nach 6. Der Ringraum 54 erstreckt sich nicht umfangsmäßig geschlossen um den Brennraum 16, sondern endet jeweils an den Einlasskanalenden 60. Auch hier jedoch verringert sich der Querschnitt der den nicht ganz umfangsmäßig geschlossenen Ringraum 54 bildenden Teilkanäle mit zunehmendem Abstand von der Abzweigstelle 52. Auch die Winkel der Strömung in den sich paarweise einander gegenüberliegenden einlasskanalenden 56, 58 und 60 relativ zu dem in den 6 und 7 zu sehenden Kanalabschnitt vor der Abzweigstelle 52 ist unterschiedlich.
