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Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme und eine in dieser längs einer Achse hin- und herbewegliche Kolbeneinrichtung, wobei an der Kolbenaufnahme ein Verbrennungsraum gebildet ist und die Kolbeneinrichtung einen an dieser angeordneten Verbrennungskolben aufweist, wobei die Freikolbenvorrichtung eine Rückfedereinrichtung umfasst, mit der ein Kraftaufnahmeelement der Kolbeneinrichtung mit einer Rückfederkraft beaufschlagbar ist, wobei die Kolbeneinrichtung mindestens ein Kopplungselement aufweist, das den Verbrennungskolben mit dem Kraftaufnahmeelement verbindet und in welchem Kopplungselement mindestens ein Aufnahmeraum gebildet ist, der zumindest teilweise mit einem Wärmeträgermedium gefüllt ist zum thermischen Koppeln des Verbrennungskolbens mit dem Kraftaufnahmeelement.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Freikolbenvorrichtung.
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Bei einer Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art oszilliert eine Kolbeneinrichtung in der Kolbenaufnahme linear hin und her. Unter der Wirkung einer Verbrennung im Verbrennungsraum, die auf eine Kolbenfläche des Verbrennungskolbens wirkt, wird der Verbrennungskolben unter Bewegung der Kolbeneinrichtung von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt getrieben. Es ist eine Rückfedereinrichtung vorgesehen, die das Kraftaufnahmeelement der Kolbeneinrichtung mit einer Rückstellkraft beaufschlagt, um den Verbrennungskolben wieder vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen.
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Die Freikolbenvorrichtung kann genau eine Kolbeneinrichtung aufweisen. Denkbar ist auch, dass zwei Kolbeneinrichtungen mit einem jeweiligen Verbrennungskolben vorgesehen sind, die in Gegenkolbenanordnung angeordnet sind und einander mit einer jeweiligen Kolbenfläche zuweisen. Eine Verbrennung im Verbrennungsraum erlaubt es zum Ausgleich der bewegten Massen und Momente, beide Kolbeneinrichtungen in voneinander wegweisenden Richtungen zu bewegen. Einer jeweiligen Kolbeneinrichtung kann eine eigenständige Rückfedereinrichtung zugeordnet sein.
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Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Energiekopplungseinrichtung zum Auskoppeln von Energie der Kolbeneinrichtung und/oder zum Einkoppeln von Energie in die Kolbeneinrichtung. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, die Bewegung der Kolbeneinrichtung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Die Energiekopplungseinrichtung ist oder umfasst vorzugsweise mindestens einen Lineargenerator.
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Um die Gefahr einer Überhitzung zu vermeiden, insbesondere aber auch zur Erzielung eines optimalen Betriebspunktes, umfassen Verbrennungskraftmaschinen wie auch Freikolbenvorrichtungen üblicherweise eine Kühleinrichtung. Der Bedarf an einer wirkungsvollen Kühlung besteht insbesondere bei typischerweise im Zweitaktverfahren betriebenen Freikolbenvorrichtungen, bei der die Kolbeneinrichtung einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist.
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Eine Freikolbenvorrichtung mit einem Wärmeableitelement, das Bestandteil einer Kolbenanordnung oder eines Zylinders sein kann, ist in der
US 2013/0167718 A1 beschrieben. Das Wärmeableitelement kann mit einem Fluid gefüllt sein, das einen Phasenwechsel ausführen kann.
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Die
DE 10 2011 118 042 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Wärme und Kälte für einen linkslaufenden Kreisprozess mit einem thermisch angetriebenen Verdichter und einem integrierten Lineargenerator zur Stromerzeugung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bereitzustellen, bei der bzw. mit dem eine verbesserte Kühlung des Verbrennungskolbens möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Verfahrens zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 18 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung besteht die Möglichkeit, am Verbrennungskolben auftretende Wärme zielgerichtet an das Kraftaufnahmeelement abzugeben. Zu diesem Zweck ist das Wärmeträgermedium vorgesehen, das in den mindestens einen Aufnahmeraum angeordnet ist und diesen zumindest teilweise füllt. Vom Kraftaufnahmeelement kann die Wärme beispielsweise über Komponenten der Rückfedereinrichtung abgegeben werden. Konstruktiv lassen sich die vorstehend genannten Merkmale auf einfache Weise bei der Freikolbenvorrichtung integrieren, ohne dass hierfür im Bereich des Verbrennungsraumes zusätzlicher Raum erforderlich ist. In Kombination mit einer externen Kühlung, die beispielsweise einen die Kolbenaufnahme vom Verbrennungsraum umgebenen Kühlkanal oder -mantel umfasst, bietet sich die Möglichkeit einer wirkungsvollen, vorzugsweise benutzerseitig einstellbaren Kühlung.
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Als günstig erweist es sich, dass von der Kolbeneinrichtung ein in sich geschlossener Aufnahmeraum gebildet ist, der zwei von einem jeweiligen Kopplungselement gebildete, miteinander strömungsverbundene Aufnahmeraumabschnitte aufweist. Beispielsweise sind jeweilige Abschnitte durch ein jeweiliges Kopplungselement seitlich neben der Achse gebildet und axial verlaufend. Die Abschnitte können vorzugsweise durch weitere Abschnitte des Aufnahmeraumes am Verbrennungskolben und am Kraftaufnahmeelement (insbesondere am Gasfederkolben) miteinander verbunden sein. Die letztgenannten Abschnitte sind beispielsweise U-förmig. Durch den in sich geschlossenen Aufnahmeraum kann, insbesondere bei einem flüssigen Wärmeträgermedium, eine umlaufende Strömung erzeugt werden. Das Wärmeträgermedium kann zur Wärmeaufnahme am Verbrennungskolben und zur Wärme- abgabe am Kraftaufnahmeelement vorbeiströmen.
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Alternativ kann im Kopplungselement ein in sich geschlossener Aufnahmeraum gebildet sein, der zwei miteinander strömungsverbundene Aufnahmeraumabschnitte aufweist. Beispielsweise sind jeweilige Aufnahmeraumabschnitte seitlich neben der Achse angeordnet und axial verlaufend. Die Aufnahmeraumabschnitte sind vorzugsweise an einer jeweiligen dem Verbrennungskolben und dem Kraftaufnahmeelement zugewandten Stirnseite miteinander verbunden.
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Vorteilhaft ist es, dass eine Fluidströmung im Aufnahmeraum durch mindestens ein Strömungsleitelement gerichtet im Kreis führbar ist. Dadurch kann ein zielgerichteter Wärmetransport vom Verbrennungskolben an das Kraftaufnahmeelement ermöglicht werden.
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Als günstig erweist es sich, wenn die Rückfedereinrichtung eine Gasfeder umfasst mit einem an der Kolbenaufnahme gebildeten gasgefüllten Rückfederraum und wenn das Kraftaufnahmeelement als Gasfederkolben am Rückfederraum ausgestaltet ist. Die Wärme des Gasfederkolbens kann an das Gas abgegeben werden und dieses erwärmen. Dies bietet zum Beispiel die Möglichkeit, einen Betriebspunkt der Gasfeder im Hinblick auf deren optimalen Wirkungsgrad einzustellen. Gattungsgemäße Freikolbenvorrichtungen sehen beispielsweise eine Erwärmung der Gasfeder mittels einer separaten Heizeinrichtung vor. Eine derartige Heizeinrichtung kann durch die erfindungsgemäße Lösung eingespart werden. Die Herstellung und der Betrieb der Freikolbenvorrichtung werden erheblich vereinfacht. Eine Temperatur von ungefähr 70°C bis 100°C des Gases der Gasfeder, beispielsweise ungefähr 90°C, erweist sich in der Praxis als vorteilhaft.
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Vorteilhafterweise weist der Aufnahmeraum eine axiale Erstreckung auf. „Axial“ und „radial“ beziehen sich vorliegend auf die Achse, entlang der die Kolbeneinrichtung beweglich ist.
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Als günstig erweist es sich, wenn sich der Aufnahmeraum vom Verbrennungskolben bis oder im Wesentlichen bis zum Kraftaufnahmeelement erstreckt, um eine wirkungsvolle Wärmeübertragung an das Kraftaufnahmeelement zu ermöglichen.
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Von Vorteil ist es, wenn das Wärmeträgermedium ein Fluid ist.
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Besonders vorteilhafterweise ist das Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit, bei einer Betriebstemperatur der Freikolbenvorrichtung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es durchaus denkbar, dass das Wärmeträgermedium außerhalb des Betriebs oder bei Betriebsaufnahme, wenn die Freikolbenvorrichtung noch nicht ihre übliche Betriebstemperatur erreicht hat, sich im festen Aggregatzustand befindet. Bei einer üblichen Betriebstemperatur der Freikolbenvorrichtung erweist sich das Vorsehen einer Flüssigkeit im mindestens einen Aufnahmeraum als besonders vorteilhaft. Durch die axiale Hin- und Herbewegung der Kolbeneinrichtung stellt sich vorzugsweise eine turbulente Strömung im Aufnahmeraum ein, die sich als vorteilhaft für eine gute Wärmeübertragung vom Verbrennungskolben auf das Kraftaufnahmeelement erweist.
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Das Wärmeträgermedium ist vorzugsweise ein Metall oder umfasst ein solches.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Wärmeträgermedium Natrium ist. Natrium schmilzt unter Normalbedingungen bei einer Temperatur von knapp 100°C, und der Siedepunkt von Natrium liegt bei Normalbedingungen bei knapp unter 900°C. Dies eröffnet die Möglichkeit, Natrium als Wärmeträgermedium über einen breiten Temperaturbereich einzusetzen, in dem es den flüssigen Aggregatzustand einnimmt.
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Der Einsatz anderer Metalle ergänzend zu oder alternativ zu Natrium ist denkbar, insbesondere von Alkalimetallen.
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Alternativ oder ergänzend ist denkbar, ein Thermoöl als Wärmeträgermedium einzusetzen, bei einer Betriebstemperatur von ungefähr 200°C bis 300°C.
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Günstigerweise ist der mindestens eine Aufnahmeraum mit dem Wärmeträgermedium zu ungefähr 40% bis 70% gefüllt. Eine Hin- und Herbewegung des Wärmeträgermediums zur besseren Wärmeabgabe an das Kraftaufnahmeelement wird dadurch begünstigt.
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Bei einer vorteilhaften Umsetzung der Freikolbenvorrichtung ist das mindestens eine Kopplungselement eine Pleuelstange oder durch eine solche gebildet. Die Pleuelstange ist am Verbrennungskolben festgelegt und beispielsweise auch, sofern vorhanden, am vorstehend erwähnten Gasfederkolben für die Gasfeder.
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Bei einer andersartigen Umsetzung der Freikolbenvorrichtung kann vorgesehen sein, dass zwei Kopplungselemente mit einem jeweiligen Aufnahmeraum vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Pleuelstange der Kolbeneinrichtung angeordnet sind. Seitlich neben der Pleuelstange und einander bezüglich der Achse vorzugsweise diametral gegenüberliegend können die Kopplungselemente mit einem jeweiligen Aufnahmeraum angeordnet sein und den Verbrennungskolben mit dem Kraftaufnahmeelement verbinden.
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Das mindestens eine Strömungsleitelement ist oder umfasst beispielsweise ein unter der Trägheit des Wärmeträgermediums öffnendes Rückschlagventil. Durch die verhältnismäßig rasche oszillierende Bewegung der Kolbeneinrichtung ist die Bewegung des Wärmeträgermediums im Aufnahmeraum infolge seiner Trägheit verzögert. Dadurch kann das trägheitsbetätigte Rückschlagventil öffnen, es bewegt sich allerdings mit dem Kopplungselement in axialer Richtung. Das Wärmeträgermedium kann dadurch das mindestens eine Rückschlagventil passieren und wird im Aufnahmeraum vorwärts bewegt.
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Beispielsweise sind zwei oder mehr Rückschlagventile am Aufnahmeraum angeordnet. Insbesondere können zwei Rückschlagventile so am Aufnahmeraum angeordnet sein, dass sie einen halben Umlauf des Wärmeträgermediums durch den Aufnahmeraum voneinander beabstandet sind.
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Als Strömungsleitelemente können rampenförmige Transportelemente am Aufnahmeraum vorgesehen sein. Die Transportelemente können vom Wärmeträgermedium überquerbare relativ zur Achse geneigte rampenförmige Vorsprünge und insbesondere quer zur Achse verlaufende Rücksprünge aufweisen. Im Querschnitt können die Transportelemente insbesondere sägezahnförmig ausgebildet sein. Das Wärmeträgermedium kann bei bewegter Kolbeneinrichtung infolge der Trägheit sukzessive über die rampenförmigen Vorsprünge gelangen und durch die Rücksprünge weitertransportiert werden.
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Vorteilhafterweise ist im Aufnahmeraum mindestens ein Mischelement zum Durchmischen des insbesondere flüssigen Wärmeträgermediums beweglich aufgenommen. Das Mischelement erlaubt es, eine turbulente Strömung des Wärmeträgermediums zu erzeugen, um den Wärmeübertrag zu verbessern. Das Mischelement ist beispielsweise eine Kugel.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmeraum bezüglich einer Ebene quer zur Achse einen konstanten Querschnitt aufweist. Der Querschnitt kann insbesondere kreisförmig sein. Das mindestens eine Kopplungselement kann daher zumindest im Bereich des Aufnahmeraumes hohlzylindrisch ausgestaltet sein.
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Bei einer andersartigen Ausführungsform kann der Querschnitt des Aufnahmeraumes bezüglich einer Ebene quer zur Achse unterschiedlich sein. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Aufnahmeraum sich mit einem abschnittsweise konisch verjüngendem und/oder konisch erweiterndem Querschnitt versehen ist. Durch den unterschiedlichen Querschnitt wird die Bildung von Turbulenzen eines flüssigen Wärmeträgermediums begünstigt und der Wärmeübertrag verbessert.
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Von Vorteil ist es, wenn mindestens ein im Aufnahmeraum sich axial zumindest über einen Teil des Aufnahmeraumes erstreckendes Störelement zum Erzeugen einer turbulenten Strömung eines flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet ist. Das Störelement kann beispielsweise eine verhältnismäßig raue Oberfläche aufweisen und/oder eine unebene Oberfläche, um im Wärmeträgermedium Turbulenzen zu induzieren.
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Die Wandung des mindestens einen Aufnahmeraumes kann mit einer verhältnismäßig rauen Oberfläche versehen sein, um Turbulenzen in einem flüssigen Wärmeträgermedium zu induzieren.
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Das mindestens eine Störelement kann sich axial über den gesamten Aufnahmeraum erstrecken.
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Das Störelement ist beispielsweise eine Stange.
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Das Störelement kann auf der Achse ausgerichtet sein.
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Beispielsweise ist das Störelement schraubenförmig ausgestaltet. Hierunter wird zum Beispiel eine verdrillte Gestalt oder eine wendelnutförmige Gestalt des Störelementes verstanden.
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Das Störelement kann einen nicht-konstanten Querschnitt quer zur Achse umfassen mit einander abwechselnden Verbreiterungsabschnitten und Verschmälerungsabschnitten.
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Das Kopplungselement kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform radial in den Aufnahmeraum ragende Vorsprünge aufweisen. Die Vorsprünge sind vorzugsweise axial begrenzt, erstrecken sich daher in axialer Richtung nur über einen Teil des Aufnahmeraumes. Günstigerweise erstrecken sich die Vorsprünge abschnittsweise in Umfangsrichtung der Achse.
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Beispielsweise sind die Vorsprünge rippenförmig ausgestaltet.
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Die Vorsprünge können quer zur Achse eine ungefähr sichelförmige Ausgestaltung aufweisen.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Vorsprünge in axialer Richtung abwechselnd auf einander gegenüberliegenden Seiten am Aufnahmeraum angeordnet sind.
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Die Vorsprünge erlauben es, Turbulenzen in einem flüssigen Wärmeträgermedium zu induzieren und die Abfuhr von Wärme vom Verbrennungskolben an das Kraftaufnahmeelement zu verbessern.
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Die Kolbenaufnahme kann eine Kolbenlaufbuchse umfassen, in der der Verbrennungskolben verschieblich geführt ist.
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Es kann ein Kühlkanal vorgesehen sein, der die Kolbenlaufbuchse zumindest im Bereich des Verbrennungsraumes umgibt. Der Kühlkanal ist beispielsweise ein Kühlmantel.
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Es kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Freikolbenvorrichtung vorgesehen sein, dass die Kolbenaufnahme eine Kolbenlaufbuchse umfasst, in der der vorstehend erwähnte Gasfederkolben verschieblich geführt ist. Vorteilhafterweise ist ein Kühlkanal vorgesehen, der die Kolbenlaufbuchse zumindest im Bereich des Rückfederraumes umgibt. Der Kühlkanal kann zum Beispiel als Kühlmantel ausgestaltet sein.
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Als günstig erweist es sich, wenn die Freikolbenvorrichtung frei von einer Ölkühlung ist. Der Verbrennungskolben und/oder ein etwaiger Gasfederkolben können beispielsweise mit Kolbenringen zur Erzielung einer Feststoffschmierung der Bewegung der Kolbeneinrichtung versehen sein.
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Wie eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Verfahren. Ein erfindungsgemäßes, die eingangs genannte Aufgabe lösendes Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art umfasst die Merkmale des unabhängigen Anspruches 18.
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Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erwähnt wurden, können unter Einsatz des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erlauben die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:
- 1: eine Teildarstellung einer Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbeneinrichtung mit einem Kopplungselement, in dem ein Aufnahmeraum gebildet ist;
- 2: eine Teildarstellung des Kopplungselementes mit im Aufnahmeraum angeordneten Vorsprüngen;
- 3: eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in 2;
- 4: den Aufnahmeraum, in dem ein Mischelement in Gestalt einer Kugel aufgenommen ist;
- 5: den Aufnahmeraum, in dem auf der Achse der Kolbeneinrichtung angeordnet ein stangenförmiges Störelement aufgenommen ist;
- 6: den Aufnahmeraum mit einem andersartigen Störelement, das einander abwechselnde Verschmälerungsabschnitte und Verbreiterungsabschnitte aufweist;
- 7: den Aufnahmeraum mit einem andersartigen Störelement, das schraubenförmig gebildet ist;
- 8: den Aufnahmeraum in unterschiedlicher Ausgestaltung mit sich in axialer Richtung konisch verjüngendem und konisch erweiterndem Querschnitt;
- 9: eine Teildarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Freikolbenvorrichtung;
- 10: eine Teildarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung mit einer Kolbeneinrichtung, die zwei Kolben verbindende Kopplungselemente aufweist;
- 11 bis 14: die Kolbeneinrichtung aus 10 zu vier aufeinander folgenden Zeitpunkten, die sich jeweils durch eine halbe Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung unterscheiden;
- 15: ein Kopplungselement mit im Aufnahmeraum aufgenommen rampenförmigen Transportelementen; und
- 16: eine Darstellung entsprechend 15 nach Bewegung des Kopplungselementes.
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1 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer Freikolbenvorrichtung in einer Teildarstellung. Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst eine Kolbenaufnahme 12 und eine Kolbeneinrichtung 14.
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Die Kolbeneinrichtung 14 ist längs einer Achse 16 linear hin- und herbeweglich.
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Die Kolbenaufnahme 12 bildet einen Verbrennungsraum 18, der in der Zeichnung nur teilweise dargestellt ist. Im Verbrennungsraum 18 ist ein zündfähiges Gemisch aufgenommen, bei dessen Zündung die Kolbeneinrichtung 14 angetrieben wird.
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Die Kolbeneinrichtung 14 umfasst einen Verbrennungskolben 20, der dem Verbrennungsraum 18 zugewandt eine Kolbenfläche 22 umfasst und bei der Zündung des Gemisches von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt wird. Der Verbrennungskolben 20 ist in einer Kolbenlaufbuchse 24 der Kolbenaufnahme 12 verschieblich geführt. Kolbenringe 26 dienen zum einen der Abdichtung des Verbrennungsraumes 18 und zum anderen der Schmierung der Kolbeneinrichtung 14. Es handelt sich daher vorliegend insbesondere um eine Feststoffschmierung. Eine Ölschmierung ist bei der Freikolbenvorrichtung 10 nicht erforderlich.
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Eine Kühleinrichtung 28 der Freikolbenvorrichtung 10 ist vorgesehen, um die Kolbenaufnahme 12 im Bereich des Verbrennungsraumes 18 zu kühlen. Zu diesem Zweck umfasst die Kühleinrichtung 28 einen als Kühlmantel ausgestalteten Kühlkanal 30, der die Kolbenlaufbuchse 24 umgibt.
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Um die Bewegung der Kolbeneinrichtung 14 umzukehren und den Verbrennungskolben 20 wieder vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen, umfasst die Freikolbenvorrichtung 10 eine Rückfedereinrichtung 32. Die Rückfedereinrichtung 32 umfasst eine Gasfeder 34 mit einem an der Kolbenaufnahme 12 gebildeten Rückfederraum 36. Im Rückfederraum 36 ist ein Gas komprimierbar und expandierbar aufgenommen.
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Der Rückfederraum 36 wird zum Beispiel von einer Kolbenlaufbuchse 38 der Kolbenaufnahme 12 gebildet. Es kann auch eine gemeinsame Kolbenlaufbuchse anstelle beider Kolbenlaufbuchsen 24 und 38 vorhanden sein. Bei den Kolbenlaufbuchsen 24, 38 können in einem gemeinsamen Gehäuse der Kolbenaufnahme 12, in der Zeichnung nicht dargestellt, aufgenommen sein.
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Am Rückfederraum 36 ist ein Gasfederkolben 40 der Kolbeneinrichtung 14 angeordnet, der den Rückfederraum 36 mit einer Kolbenfläche 42 in Richtung des Verbrennungskolbens 20 begrenzt.
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Die Kolbeneinrichtung 14 umfasst eine Pleuelstange 44, die den Verbrennungskolben 20 mit dem Gasfederkolben 40 verbindet. Vorliegend besteht eine starre Verbindung der Kolben 20, 40 über die Pleuelstange 44. Die Pleuelstange 44 ist dementsprechend eine Kolbenstange. Denkbar ist auch, dass die Pleuelstange 44 an zumindest einem der Kolben 20, 40 angelenkt ist.
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Ein Kolbenring 46 ist am Gasfederkolben 40 vorgesehen, um den Rückfederraum 36 abzudichten.
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Bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 14 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt des Verbrennungskolbens 20 wird das Gas im Rückfederraum 36 mit dem Gasfederkolben 40 komprimiert. Anschließend erfolgt eine Aufwärtsbewegung des Verbrennungskolbens 20 dadurch, dass das Gas im Rückfederraum 36 expandiert und eine Rückstellkraft auf die Kolbeneinrichtung 14 ausübt. Der Gasfederkolben 40 bildet daher ein Kraftaufnahmeelement 48 der Kolbeneinrichtung 40. Die Rückstellkraft wird über die Pleuelstange 44 auf den Verbrennungskolben 20 übertragen, um diesen vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen.
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Die Kühleinrichtung 28 umfasst vorliegend einen als Kühlmantel ausgestalteten Kühlkanal 50, der den Rückfederraum 36 umgibt. Wärme kann von der Gasfeder 34 über den Kühlkanal 50 abgeführt werden, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
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Die Pleuelstange 44 ist ein den Verbrennungskolben 20 mit dem Kraftaufnahmeelement 48 koppelndes Kopplungselement 52, das einen Aufnahmeraum 54 ausbildet. Der Aufnahmeraum 54 ist axial erstreckt vom Verbrennungskolben 20 bis zum Gasfederkolben 40 und in einer Ebene quer zur Achse 16 von kreisrundem Querschnitt. Beispielsweise hat die Pleuelstange 44 einen hohlzylindrischen kreisförmigen Querschnitt.
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Im Aufnahmeraum 54 ist ein Wärmeträgermedium 56 aufgenommen. Das Wärmeträgermedium 56 füllt den Aufnahmeraum 54 nicht vollständig, sondern bei einer vorteilhaften Ausführungsform zu ungefähr 40% bis 70%.
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Das Wärmeträgermedium 56 ist vorzugsweise ein bei einer typischen Betriebstemperatur der Freikolbenvorrichtung 10 flüssiges Wärmeträgermedium. Als vorteilhaft erweist sich ein Einsatz eines Alkalimetalls, insbesondere Natrium. Günstigerweise ist das Wärmeträgermedium so gewählt, dass der Verdampfungspunkt deutlich jenseits der üblichen beim Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 auftretenden Temperaturen liegt, so dass der flüssige Aggregatzustand des Wärmeträgermediums 56 sichergestellt ist.
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Die Freikolbenvorrichtung 10 wird üblicherweise in einem Zweitaktverfahren betrieben. Dies führt dazu, dass der Verbrennungskolben 20 beträchtlichen Temperaturen ausgesetzt ist. Zur Wärmeabfuhr vom Verbrennungsraum 18 ist zum einen, wie erwähnt, die Kühleinrichtung 28 vorgesehen.
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Zum anderen wird Wärme vom Verbrennungskolben 20 über das Kopplungselement 52 mit Hilfe des Wärmeträgermediums 56 abgeführt.
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Bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 14 kann das Wärmeträgermedium 56 im Aufnahmeraum 54 hin- und herschwappen. Vorteilhaft ist die Ausbildung von Turbulenzen, damit eine Durchmischung des Wärmeträgermediums 56 erfolgt. Die Wärme kann vom Verbrennungskolben 20 über das Wärmeträgermedium 56 an den Gasfederkolben 40 abgegeben werden.
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Der Gasfederkolben 40 wirkt in Kombination mit der Gasfeder 34 als Wärmesenke. Das Gas im Rückfederraum 36 wird erwärmt. Über den Kühlkanal 50 kann Wärme von der Gasfeder 34 abgeführt werden.
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Es bietet sich insbesondere die Möglichkeit, durch gezielte Abfuhr von Wärme von der Gasfeder 34 deren Temperatur im Hinblick auf einen optimalen Betriebspunkt anzupassen. Beispielsweise erweist sich eine Gastemperatur von ungefähr 90°C im Rückfederraum 36 als vorteilhaft. Diese Wärme kann über das Wärmeträgermedium 56 bereitgestellt werden. Bei der Freikolbenvorrichtung 10 bedarf es aus diesem Grund keiner zusätzlichen Heizeinrichtung, wie dies bei gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtungen vorgesehen sein kann.
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Durch die zusätzliche Kühleinrichtung 28 ist es möglich, den Betriebspunkt der Freikolbenvorrichtung 10 zu optimieren. Eine ölbasierte Kühlung insbesondere des Verbrennungskolbens 20 kann eingespart werden. Durch die Feststoffschmierung über die Kolbenringe 26, 46 ist daher insbesondere ein ölfreier Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 möglich.
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Die 2 bis 8, auf die nachfolgend eingegangen wird, zeigen den Aufnahmeraum 54 mit der ihn umgebenden Wandung 58 des Kopplungselementes 52. Die Konstruktionsvarianten der 2 bis 8 können bei der Freikolbenvorrichtung 10, oder den nachfolgend erläuterten Freikolbenvorrichtungen 90 und 100 jeweils einzeln oder in Kombination miteinander umgesetzt sein.
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Die Variante gemäß 2 sieht eine Mehrzahl von Vorsprüngen 60 vor, die von der Wandung 58 radial nach innen ragen. Die Vorsprünge 60 sind axial begrenzt, wobei aufeinander folgende Vorsprünge 60 axial voneinander beabstandet sind und abwechselnd auf einander gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Achse 16 an der Wandung 58 angeordnet sind. Die Vorsprünge 60 erstrecken sich abschnittsweise in Umfangsrichtung der Achse 16 und weisen quer zur Achse eine ungefähr sichelförmige Gestalt auf (3). Die Vorsprünge 60 sind als Rippen 62 ausgestaltet.
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Die Vorsprünge 60 dienen zum Induzieren von Turbulenzen im Wärmeträgermedium 56 mit dem Ziel einer besseren Durchmischung und wirkungsvolleren Übertragung von Wärme vom Verbrennungskolben 20 an den Gasfederkolben 40. Die nachfolgend erwähnten Varianten der 4 bis 8 dienen demselben Zweck.
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Bei der Variante gemäß 4 ist ein Mischelement 64 im Aufnahmeraum 54 aufgenommen. Das Mischelement 64 ist eine im Aufnahmeraum 54 frei bewegliche Kugel 66.
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Die Variante gemäß 5 umfasst ein Störelement 68, das als Stange 70 ausgestaltet ist. Die Stange 70 verläuft auf der Achse 16 und erstreckt sich axial über die gesamte Länge des Aufnahmeraumes 54.
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Ein schematisch dargestelltes Geschwindigkeitsprofil 72 des im Aufnahmeraum 54 bewegten Wärmeträgermediums 56 symbolisiert, dass die Reibung des Wärmeträgermediums 56 mit der Wandung 58 und mit der Stange 70 größer ist als die Reibung unterschiedlicher Schichten aneinander im Wärmeträgermedium 56. Durch die geringere Geschwindigkeit des Wärmeträgermediums 56 im Bereich der Stande 70 und der Wandung 58 im Vergleich zu den dazwischen liegenden Abschnitten erfolgt eine bessere Durchmischung des Wärmeträgermediums 56.
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Im Übrigen ist es bei allen vorliegend vorgestellten Varianten des Kopplungselementes 52 von Vorteil, wenn eine raue Oberfläche der Wandung 58 derart vorgesehen ist, dass Turbulenzen im Wärmeträgermedium 56 induziert werden.
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Auch bei der Variante gemäß 6 ist als Störelement 68 eine Stange 74 vorgesehen. Die Stange 74 verläuft auf der Achse 16 und erstreckt sich in axialer Richtung über den gesamten Aufnahmeraum 54. Die Stange 74 weist abwechselnd Verbreiterungsabschnitte 76 und Verschmälerungsabschnitte 78 auf. Infolgedessen werden wirkungsvoll Turbulenzen im Wärmeträgermedium 56 induziert.
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Entsprechendes gilt für die Variante gemäß 7. In 7 ist ein Störelement 80 vorgesehen, das eine ungefähr schraubenförmige oder wendelnutförmige Gestalt aufweist.
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Bei der Variante gemäß 8 ist vorgesehen, dass sich der Querschnitt des Aufnahmeraumes 54 in einer Ebene quer zur Achse 16 im Bereich einer Verschmälerung 82 abschnittsweise konisch verjüngt und anschließend abschnittsweise konisch erweitert.
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An einem dem Verbrennungskolben 20 zugewandten Abschnitt weist der Aufnahmeraum 54 einen konstanten, zylindrischen Querschnitt auf. Entsprechendes gilt an einem dem Gasfederkolben 40 zugewandten Abschnitt. Dazwischen befindet sich der sich konisch verjüngende und anschließend der sich konisch erweiternde Abschnitt des Aufnahmeraumes 54.
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Bei den Varianten gemäß den 2, 3 und 8 kann vorgesehen sein, dass die Vorsprünge 60 bzw. die Verschmälerung 82 (8) durch einen jeweiligen Einsatz gebildet sind, der in den Aufnahmeraum 54 eingebracht wird. Denkbar ist auch eine integrale Ausgestaltung mit der Wandung 58.
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Eine in 9 teilweise dargestellte vorteilhafte Ausführungsform einer Freikolbenvorrichtung ist mit dem Bezugszeichen 90 belegt. Gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile der Freikolbenvorrichtungen 10 und 90 tragen dasselbe Bezugszeichen. Die mit der Freikolbenvorrichtung 10 erzielbaren Vorteile können bei der Freikolbenvorrichtung 90 ebenfalls erzielt werden, so dass weitgehend auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden kann. Es wird auf die wesentlichen Unterschiede der Freikolbenvorrichtungen 10 und 90 eingegangen.
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Bei der Freikolbenvorrichtung 90 ist die Pleuelstange 44 nicht starr mit dem Verbrennungskolben 20 verbunden, sondern stattdessen um eine Achse 92 an diesem angelenkt.
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Die Kopplungselemente 52 sind getrennt von der Pleuelstange 44 vorgesehen und bezüglich der Achse 16 auf einander gegenüberliegenden Seiten von dieser angeordnet. Beide Kopplungselemente 52 sind fest mit dem Verbrennungskolben 20 und mit dem Gasfederkolben 40 verbunden und erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Kolbeneinrichtung 14.
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In beiden Kopplungselementen 52 sind Aufnahmeräume 54 gebildet, in denen jeweils das Wärmeträgermedium 56 aufgenommen ist.
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Von einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist in 10 nur abschnittsweise die Kolbenaufnahme 12 mit den Kolbenlaufbuchsen 24 und 38 dargestellt sowie die Kolbeneinrichtung 14. Die Kolbeneinrichtung 14 bildet an einer ersten Seite 102 den Verbrennungskolben 20 und an einer gegenüberliegenden zweiten Seite 104 den Gasfederkolben 40. Der Verbrennungskolben 20 und der Gasfederkolben bilden jeweils einen U-förmigen Aufnahmeraum 106, 108.
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Zwei Kopplungselemente 52, die einander bezüglich der Achse 16 diametral gegenüber liegen, verbinden die Kolben 20, 40. Dies erfolgt derart, dass Hohlräume 54 der Kopplungselemente 52 mit den Hohlräumen 106 und 108 fluchten. Dadurch ist ein in sich geschlossener, umlaufender Aufnahmeraum 110 von der Kolbeneinrichtung 14 gebildet.
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Am Aufnahmeraum 110 sind zwei Strömungsleitelemente 112 angeordnet, die als Rückschlagventile 114, 116 ausgestaltet sind. Die Rückschlagventile 114, 116 sind voneinander einen halben Umlauf des Aufnahmeraumes 110 entfernt. Ein Rückschlagventil 114 ist am Verbrennungskolben 20 angeordnet, das andere Rückschlagventil (116) am Gasfederkolben 40. Die Rückschlagventile 114, 116 sind trägheitsbetätigt, wie nachfolgend unter Verweis auf die 11 bis 14 erläutert wird.
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Die 11 bis 14 zeigen die Bewegung der Kolbeneinrichtung 14 zu aufeinander folgenden Zeitpunkten, wobei insgesamt eineinhalb Perioden der Kolbeneinrichtung 14 dargestellt sind.
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Zunächst bewegt sich die Kolbeneinrichtung 14 von der in der Zeichnung rechts dargestellten Seite in Richtung des Pfeiles 118 zu der in Zeichnung links dargestellten Seite (11). Durch die Trägheit des Wärmeträgermediums 56 wird das Rückschlagventil 114 geöffnet, und gibt eine Strömungsverbindung vom Aufnahmeraum 106 in den Aufnahmeraum 54 des in der Zeichnung oben dargestellten Kopplungselementes 52 frei. Das Wärmeträgermedium 56 kann vom Verbrennungskolben 20 in Richtung des Gasfederkolbens 40 strömen. Das Rückschlagventil 116 ist geschlossen.
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Bei der darauffolgenden Bewegung längs des Pfeiles 120 von der in der Zeichnung links dargestellten Seite auf die in der Zeichnung rechts dargestellte Seite wird das Rückschlagventil 116 in Folge der Trägheit des Wärmeträgermediums 56 geöffnet. Es besteht eine Strömungsverbindung vom Aufnahmeraum 108 zum Aufnahmeraum 54 des in der Zeichnung unten dargestellten Kopplungselementes 52 (12). Das Wärmeträgermedium 56 kann vom Gasfederkolben 40 in Richtung des Verbrennungskolbens 20 strömen. Das Rückschlagventil 114 ist geschlossen.
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Im Anschluss daran (13 und 14) wiederholt sich der oben dargestellte Vorgang. Im Ergebnis bildet sich dadurch eine in den 11 bis 14 durch eine geschlossene Kurve 122 dargestellte gerichtete Ringströmung im Aufnahmeraum 110. Diese ermöglicht es, wirkungsvoll Wärme vom Verbrennungskolben 20 an den Gasfederkolben 40 abzugeben. Die Strömung des Wärmeträgermediums 56 erfolgt aufgrund der abwechselnd geöffneten und geschlossenen Rückschlagventile 114, 116 schubweise oder schwallweise. Zu diesem Zweck ist es insbesondere auch von Vorteil, wenn der Aufnahmeraum 110 mit dem Wärmeträgermedium 56 nicht vollständig gefüllt ist, sondern wie vorstehend erwähnt nur teilweise.
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Die 15 und 16 zeigen abschnittsweise ein Kopplungselement 52 mit einem Aufnahmeraum 54, wobei das Kopplungselement 52 als Strömungsleitelemente Transportelemente 124 aufweist. Die Transportelemente 124 dienen dazu, im Aufnahmeraum 54 eine gerichtete Strömung des Wärmeträgermediums 56 zu erzielen. Beispielsweise kommen die Transportelemente 124 bei der Freikolbenvorrichtung 100 ergänzend oder zusätzlich zu den Strömungsleitelementen 112 zum Einsatz.
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Die Transportelemente 124 umfassen jeweils einen zur Achse 16 geneigten rampenförmigen Vorsprung 126 mit einem sich daran anschließenden Rücksprung 128, der quer zur Achse 16 ausgerichtet ist. In der Schnittansicht haben die Transportelemente 124 dadurch eine sägezahnförmige Gestalt.
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Bei einer Bewegung des Kopplungselementes 52 entlang des Pfeiles 130 in 15 von der in der Zeichnung links dargestellten zur in der Zeichnung rechts dargestellten Seite überwindet das Wärmeträgermedium 56 den rampenförmigen Vorsprung 126 trägheitsbedingt. Der Rücksprung 128 hält das Wärmeträgermedium 56 bei der darauffolgenden Bewegung in der entgegengesetzten Richtung (Pfeil 132 in 16) zurück, so dass das Wärmeträgermedium 56 zusammen mit dem Kopplungselement 52 bewegt wird.
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Die Transportelemente 124 können integral mit der Wandung 58 gebildet sein oder durch einen in den Aufnahmeraum 54 eingebrachten Einsatz gebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Freikolbenvorrichtung
- 12
- Kolbenaufnahme
- 14
- Kolbeneinrichtung
- 16
- Achse
- 18
- Verbrennungsraum
- 20
- Verbrennungskolben
- 22
- Kolbenfläche
- 24
- Kolbenlaufbuchse
- 26
- Kolbenring
- 28
- Kühleinrichtung
- 30
- Kühlkanal
- 32
- Rückfedereinrichtung
- 34
- Gasfeder
- 36
- Rückfederraum
- 38
- Kolbenlaufbuchse
- 40
- Gasfederkolben
- 42
- Kolbenfläche
- 44
- Pleuelstange
- 46
- Kolbenring
- 48
- Kraftaufnahmeelement
- 50
- Kühlkanal
- 52
- Kopplungselement
- 54
- Aufnahmeraum
- 56
- Wärmeträgermedium
- 58
- Wandung
- 60
- Vorsprung
- 62
- Rippe
- 64
- Mischelement
- 66
- Kugel
- 68
- Störelement
- 70
- Stange
- 72
- Geschwindigkeitsprofil
- 74
- Stange
- 76
- Verbreiterungsabschnitt
- 78
- Verschmälerungsabschnitt
- 80
- Störelement
- 82
- Verschmälerung
- 90
- Freikolbenvorrichtung
- 92
- Achse
- 100
- Freikolbenvorrichtung
- 102
- erste Seite
- 104
- zweite Seite
- 106
- Aufnahmeraum
- 108
- Aufnahmeraum
- 110
- Aufnahmeraum
- 112
- Strömungsleitelement
- 114
- Rückschlagventil
- 116
- Rückschlagventil
- 118
- Pfeil
- 120
- Pfeil
- 122
- Kurve
- 124
- Transportelement
- 126
- Vorsprung
- 128
- Rücksprung
- 130
- Pfeil
- 132
- Pfeil
