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Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend einen ersten Freikolbenmotor, einen zweiten Freikolbenmotor und eine Steuereinrichtung zu deren Steuerung und/oder Regelung, wobei die Freikolbenmotoren jeweils eine Kolbenaufnahme mit einem Arbeitsraum umfassen, eine Kolbeneinrichtung mit einem den Arbeitsraum begrenzenden Arbeitskolben, die in der Kolbenaufnahme unter der Wirkung eines im Arbeitsraum expandierenden Arbeitsmediums hin- und herbeweglich ist, und einen elektrischen Lineartrieb zum Auskoppeln von Energie aus der Kolbeneinrichtung und Einkoppeln von Energie in die Kolbeneinrichtung, über eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare Energiekopplungseinrichtung der Freikolbenvorrichtung, wobei die Freikolbenvorrichtung mindestens eine Rückfedereinrichtung für mindestens eine Kolbeneinrichtung umfasst.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Freikolbenvorrichtung, bei der die Kolbeneinrichtung eines jeweiligen Freikolbenmotors unter der Wirkung des expandierenden Arbeitsmediums hin- und herbewegt wird.
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Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 102 19 549 A1 , der
DE 102 42 141 A1 , der
DE 10 2006 029 532 A1 und der
DE 10 2011 000 620 A1 bekannt. Unter der Wirkung eines expandierenden Arbeitsmediums, beispielsweise eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches, kann der Arbeitskolben bewegt und die dabei auftretende mechanische kinetische Energie der Kolbeneinrichtung mittels eines als Lineargenerator wirkenden elektrischen Lineartriebs ausgekoppelt werden. Der Lineartrieb kann insbesondere eine an der Kolbeneinrichtung angeordnete oder mit dieser mechanisch gekoppelte Läufereinrichtung umfassen und eine an der Kolbenaufnahme angeordnete Statoreinrichtung. Die Läufereinrichtung kann Permanentmagnete umfassen, die mit korrespondierenden Spulen der Statoreinrichtung wechselwirken. Der Brennstoff ist beispielsweise Benzin, Diesel, Wasserstoff oder Methan, und als Oxidator kann insbesondere (Luft-)Sauerstoff zum Einsatz kommen. Der Lineartrieb ermöglicht die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und umgekehrt, so dass mittels der Steuereinrichtung die Bewegung der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt werden kann. Der Arbeitskolben kann sich durch Expansion des Arbeitsmediums von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt und unter der Wirkung der mindestens einen Rückfedereinrichtung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt bewegen.
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Es versteht sich im vorliegenden Fall, dass das „Arbeitsmedium“ im Fall eines brennbaren Gemisches nicht nur das unverbrannte Gemisch umfasst, sondern alternativ oder ergänzend dessen Verbrennungsprodukt nach der Zündung, so dass unter dem „expandierenden Arbeitsmedium“ ein zumindest teilweise verbranntes Arbeitsmedium inklusive dessen Verbrennungsprodukt verstanden werden kann.
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Üblicherweise werden Freikolbenvorrichtungen mit Brennstoff-Oxidator-Gemisch im Zweitakt-Verfahren betrieben, was jedoch Nachteile mit sich bringt. Für eine zuverlässige Spülung des Arbeitsraumes mit Arbeitsmedium ist ein Überdruck des einströmenden Arbeitsmediums erforderlich, weswegen in der Praxis ein Kompressor oder eine Ladeeinrichtung eingesetzt wird. Dies erfordert jedoch einen höheren technischen und energetischen Aufwand. Als nachteilig erweist es sich auch, dass der Ladungswechsel im zweiten Betriebstakt innerhalb eines nur kurzen Zeitraumes erfolgen muss, was insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen der Freikolbenvorrichtung störend ist. Dadurch können unerwünschterweise hohe Restmengen an unverbranntem Arbeitsmedium im Arbeitsraum verbleiben. Dies beeinträchtigt die Leistung des Freikolbenmotors, dessen Betriebspunkt nicht optimal eingestellt ist. Allgemein sind beim Zweitakt-Verbrennungsprozess die Rohemissionen potentiell schlechter. Dies erfordert Mehrkosten gegenüber dem Viertakt-Verbrennungsprozess, beispielsweise für Abgasnachbehandlung und Benzindirekteinspritzung. Beispielsweise ist in der
DE 1 078 808 A eine Freikolbenvorrichtung mit einem Freikolbenmotor beschrieben, der einen zentralen Arbeitsraum und zwei gegenläufige Kolbeneinrichtungen aufweist und im Zweitakt-Verfahren betrieben wird.
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Zur Behebung dieser Nachteile ist es auch bekannt, Freikolbenvorrichtungen in einem Viertakt-Prozess zu betreiben, wie dies beispielsweise in der
DE 10 2011 000 620 A1 erwähnt ist. Bauartbedingt treten jedoch auch hierbei Nachteile auf. Während im dritten Betriebstakt (Arbeiten) der Arbeitskolben unter der Wirkung des expandierenden Arbeitsmediums bewegt wird und im vierten und zweiten Betriebstakt (Ausstoßen; Verdichten) unter der Wirkung der Rückfedereinrichtung, bedarf es zusätzlicher Energie, insbesondere durch den elektrischen Lineartrieb, um den Arbeitskolben im ersten Betriebstakt (Ansaugen) zu bewegen. Beispielsweise wird während des Arbeitstaktes der Kolbeneinrichtung Energie entzogen und zwischengespeichert, die während des Ansaugtaktes wieder der Kolbeneinrichtung zugeführt wird. Dadurch muss Energie jedoch mehrfach unerwünschterweise gewandelt werden, außerdem zeigt sich in der Praxis, dass ein solcher Lineartrieb so dimensioniert werden muss, dass er während des Arbeitstaktes im Wesentlichen die gesamte bei der Expansion des Arbeitsmediums freiwerdende Energie wandeln kann, der Lineartrieb ist also auf hohe Leistung auszulegen. In den verbleibenden Betriebstakten ist der Lineartrieb jedoch nicht ausgelastet.
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In der
DE 10 2013 104 685 B3 ist eine Freikolbenvorrichtung mit einem Freikolbenmotor offenbart, bei dem ein Arbeitskolben mit einem Rückfederkolben der Rückfedereinrichtung über eine mechanische Getriebeeinrichtung gekoppelt ist. Dies gibt die Möglichkeit, dass der Arbeitskolben und der Rückfederkolben relativ zueinander bewegt werden, wobei die Frequenzen des Arbeitskolbens und des Rückfederkolbens voneinander unterschiedlich sind. Die Freikolbenvorrichtung arbeitet im Viertakt-Betrieb, wobei der Arbeitskolben gemäß einem Viertakt-Prozess bewegt wird, wohingegen der Rückfederkolben nur mit der halben Frequenz bewegt wird.
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Ein andersartiger mechanischer Ansatz für einen Viertakt-Betrieb einer Freikolbenvorrichtung ist in der
DE 10 2013 106 792 A1 beschrieben. Dabei sind zwei Arbeitskolben vorgesehen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind, wobei deren Betriebstakte um zwei Betriebstakte des Viertakt-Betriebes zeitversetzt sind. Durch die Bewegung eines Arbeitskolbens im dritten Betriebstakt (Arbeiten) wird der jeweils andere Arbeitskolben im ersten Betriebstakt (Ansaugen) mitgeführt.
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In der
DE 10 2014 101 274 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung mit zwei im Viertakt-Betrieb arbeitenden Arbeitskolben beschrieben. Die Arbeitskolben sind in einer gemeinsamen Kolbenaufnahme angeordnet und in Gegenkolbenbauweise an einem zentralen Arbeits- und insbesondere Verbrennungsraum angeordnet. Über einen elektrischen Lineartrieb kann Energie ausgekoppelt und eingekoppelt werden. Die Bewegung der Arbeitskolben wird von einem Controller gesteuert, der elektrische Energie aus einer Energiespeichereinrichtung zuführt bzw. Energie in dieser speichert. Dies erfordert es, zyklisch größere Mengen elektrischer Energie zwischenzuspeichern, was durch Wandlungsverluste in der Elektronik ineffizient ist. Auch hier ist der Lineartrieb überdimensioniert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Freikolbenvorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, das einen energetisch vorteilhaften Betrieb der Freikolbenvorrichtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einer Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lineartriebe über die Energiekopplungseinrichtung elektrisch miteinander gekoppelt sind und im Betrieb der Freikolbenvorrichtung elektrische Energie von einem Lineartrieb auf den anderen Lineartrieb und/oder umgekehrt übertragbar ist, wobei korrespondierende Betriebstakte der Freikolbenmotoren zeitlich versetzt zueinander ausführbar sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung besteht die Möglichkeit, elektrische Energie von einem Freikolbenmotor auf den jeweils anderen Freikolbenmotor zu übertragen. Die Energiekopplungseinrichtung koppelt die Lineartriebe so, dass nicht nur elektrische Energie aus einem jeweiligen Freikolbenmotor ausgekoppelt und der Nutzung zugeführt werden kann (wobei der Lineartrieb als Lineargenerator wirkt) sowie elektrische Energie eingekoppelt werden kann, um die Bewegung der jeweiligen Kolbeneinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Sondern es besteht auch die Möglichkeit, über einen Lineartrieb ausgekoppelte Energie dem jeweils anderen Lineartrieb zuzuführen. Dies erlaubt es insbesondere, während eines Betriebstaktes der Freikolbenvorrichtung erforderliche Energie bereitzustellen, indem diese durch Auskopplung am jeweils anderen Lineartrieb gewonnen wird. Dadurch besteht die Möglichkeit einer gekoppelten, vorzugsweise synchronisierten Bewegung der Arbeitskolben. Anders als bei den Freikolbenvorrichtungen in den eingangs genannten Druckschriften
DE 10 2013 104 685 B3 und
DE 10 2013 106 792 A1 ist es jedoch insbesondere nicht erforderlich, die beiden Kolbeneinrichtungen mechanisch miteinander zu koppeln. Stattdessen erfolgt eine elektrische Kopplung, gewissermaßen kann von der Energiekopplungseinrichtung als „elektrische Kurbelwelle“ gesprochen werden. Dies erlaubt es, sämtliche Vorteile und Freiheiten beizubehalten, die bei isoliert bewegbaren Kolbeneinrichtungen vorhanden sind. Im Verhältnis zu einer mechanischen Kopplung lassen sich insbesondere die Reibung und die bewegte Masse verringern, was sich bei geeigneter Anordnung der Freikolbenmotoren im Hinblick auf einen Ausgleich von Massen und Momenten als vorteilhaft erweist.
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„Zeitlich versetzt zueinander“ kann vorliegend insbesondere so verstanden werden, dass korrespondierende Betriebstakte der beiden Freikolbenmotoren nicht phasengleich ablaufen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt können die Freikolbenmotoren unterschiedliche Betriebstakte ausführen oder, bei einer besonderen Ausführungsform, identische Betriebstakte mit unterschiedlicher Phasenlage.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Arbeitsraum ein Verbrennungsraum ist und das Arbeitsmedium ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch. Wie erwähnt, wird unter dem Arbeitsmedium alternativ das Verbrennungsprodukt des Gemisches nach der Zündung verstanden bzw. ergänzend das Verbrennungsprodukt, im Falle einer unvollständigen Verbrennung. Für die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht lediglich von Bedeutung, dass der Arbeitskolben mittels des Arbeitsmediums bewegt werden kann, was im Fall eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches dessen Zündung (Fremdzündung oder Selbstzündung) erfordert.
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Günstig ist es, wenn über die Steuereinrichtung ein jeweiliger Viertakt-Betrieb der Freikolbenmotoren steuerbar und/oder regelbar ist, wobei in zumindest einem Betriebstakt eines Freikolbenmotors über dessen Lineartrieb elektrische Energie auskoppelbar und an den Lineartrieb des jeweils anderen, mit einem anderen Betriebstakt betriebenen Freikolbenmotors übertragbar ist zur Einkopplung auf dessen Kolbeneinrichtung. Über den Viertakt-Betrieb kann eine effizientere Verbrennung eines Brennstoff-Oxidator-Gemisches erzielt werden. Der Ladungswechsel wird verbessert und der Restgehalt an unverbranntem Gemisch wird verringert, so dass auch Emissionen der Freikolbenvorrichtung verringert werden können. Die Freikolbenvorrichtung kann mit höheren Betriebsfrequenzen als im Zweitakt-Verfahren betrieben werden. Im Gegensatz zu in den
DE 10 2011 000 620 A1 und
DE 10 2014 101 274 A1 bekannten Freikolbenvorrichtungen kann Energie für die Bewegung der Freikolbenvorrichtung aus dem System selbst aufgebracht werden, so dass eine ineffiziente elektrische Zwischenspeicherung von Energie nicht erforderlich ist.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Freikolbenmotoren um zwei Betriebstakte des Viertakt-Betriebs versetzt betreibbar sind. Dementsprechend kann ein Freikolbenmotor einen dritten Betriebstakt (Arbeiten) ausführen und ein Freikolbenmotor den ersten Betriebstakt (Ansaugen). Die jeweiligen anderen Betriebstakte (Ausstoßen, Ansaugen, Verdichten bzw. Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) schließen sich an.
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Günstig ist es, wenn Energie bei einem Arbeitstakt und/oder einem Ausstoßtakt eines Freikolbenmotors an den Lineartrieb des jeweils anderen Freikolbenmotors übertragbar ist. Beim Arbeitstakt und/oder Ausstoßtakt eines Freikolbenmotors kann überschüssige elektrische Energie auftreten. Im Arbeitstakt wird die Kolbeneinrichtung mittels des expandierenden Arbeitsmediums bewegt, im Ausstoßtakt unter der Wirkung der mindestens einen Rückfedereinrichtung, wobei im Arbeitsraum kein Druck aufgebaut wird. Die überschüssige elektrische Energie kann dem jeweils anderen Freikolbenmotor zugeführt werden.
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Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn Energie bei einem Ansaugtakt und/oder Kompressionstakt eines Freikolbenmotors über dessen Lineartrieb einkoppelbar ist. Die zugeführte Energie kann eingesetzt werden, um die Kolbeneinrichtung im Ansaugtakt zu bewegen, in dem kein Arbeitsmedium zum Bewegen der Kolbeneinrichtung eingesetzt werden kann. Im anschließenden Kompressionstakt kann zwar mittels der mindestens einen Rückfedereinrichtung Druck im Arbeitsraum aufgebaut werden. Durch Zuschuss elektrischer Energie besteht aber die Möglichkeit, den Druckaufbau zu steigern und die Effizienz des Freikolbenmotors zu erhöhen.
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Vorzugsweise ist Energie von einem Lineartrieb auf den jeweils anderen Lineartrieb ohne Zwischenspeichern in einer Energiespeichereinrichtung übertragbar. Frei von Zwischenspeicherung entfällt die Notwendigkeit, elektrische Energie mehrfach zu wandeln. Dadurch wird die Effizienz der Freikolbenvorrichtung gesteigert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass keine externe, separat zu den Freikolbenmotoren angeordnete elektrische Energiespeichereinrichtung vorgesehen ist oder erforderlich ist, um die Freikolbenvorrichtung im Viertakt-Betrieb zu betreiben.
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Als günstig erweist es sich, wenn die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen so steuerbar und/oder regelbar sind, dass diese synchron zueinander bewegbar sind, wobei synchrone Bewegung zumindest eines der Folgenden umfasst:
- - gleichzeitiges Durchlaufen eines oberen Totpunktes eines Arbeitskolbens und eines unteren Totpunktes des jeweils anderen Arbeitskolbens;
- - Verweilen eines Arbeitskolbens in einem oberen Totpunkt und des jeweils anderen Arbeitskolbens in einem unteren Totpunkt zur selben Zeit;
- - Bewegung der Kolbeneinrichtungen mit identischer oder im Wesentlichen identischer Geschwindigkeit relativ zur jeweiligen Kolbenaufnahme in korrespondierenden Betriebstakten der Freikolbenmotoren;
- - Bewegung der Kolbeneinrichtungen mit identischer oder im Wesentlichen identischer Geschwindigkeit relativ zur jeweiligen Kolbenaufnahme zur selben Zeit, bei Ausführung unterschiedlicher Betriebstakte der Freikolbenmotoren;
wobei die Geschwindigkeit die Momentangeschwindigkeit der jeweiligen Kolbeneinrichtung und/oder die durchschnittliche Geschwindigkeit der jeweiligen Kolbeneinrichtung während eines Betriebstaktes umfasst.
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Insgesamt besteht bei der Freikolbenvorrichtung vorteilhafterweise die Möglichkeit, mit der Steuereinrichtung, vorzugsweise im Betrieb der Freikolbenvorrichtung, die Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen getrennt voneinander und in Kombination miteinander zu steuern und/oder zu regeln. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung auf die Energiekopplungseinrichtung einwirken, um über die Lineartriebe die Bewegung der Kolbeneinrichtungen zu beeinflussen. Ergänzend oder alternativ ist vorgesehen, etwaige Bereitstellungseinrichtungen für das Arbeitsmedium (einschließlich Ventilen, Ladeeinrichtung, Zündung etc.) anzusteuern und/oder zu regeln und/oder die mindestens eine Rückfedereinrichtung zur Beeinflussung der Rückfederkraft. Beispielsweise können Verdichtung, Hub, Trajektorie der Kolbeneinrichtung und Frequenz des Freikolbenmotors gesteuert und/oder geregelt werden.
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Günstig ist es, wenn die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen so steuerbar und/oder regelbar sind, dass diese mit identischer oder im Wesentlichen identischer Frequenz bewegbar sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kolbeneinrichtungen harmonische Bewegungen ausführen oder nicht-harmonische. Günstigerweise ist eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung mittels der Steuereinrichtung durchführbar.
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Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Energiekopplungseinrichtung eine parallele Verschaltung der Lineartriebe miteinander umfasst. Dies ermöglicht eine konstruktiv einfache Ausgestaltung der Energiekopplungseinrichtung, im Hinblick auf eine Synchronisierung der Bewegung der Kolbeneinrichtungen.
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Günstig ist es, wenn die Energiekopplungseinrichtung einen Inverter umfasst oder ausbildet, der mit beiden Lineartrieben elektrisch gekoppelt ist zur Speisung beider Lineartriebe und Auskopplung elektrischer Energie aus der Freikolbenvorrichtung. Beispielsweise kommt eine Dreiphasenansteuerung für einen jeweiligen Lineartrieb zum Einsatz, wobei die Lineartriebe parallel miteinander verschaltet sind. Über den Inverter kann elektrische Leistung wie erforderlich und unter Steuerung und/oder Regelung durch die Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Elektrische Leistung kann über den Inverter zur Nutzung aus der Freikolbenvorrichtung ausgekoppelt werden.
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Von Vorteil ist es, wenn die Energiekopplungseinrichtung einem jeweiligen Lineartrieb zugeordnet und in dessen elektrische Anschlussleitungen geschaltete, vorzugsweise von der Steuereinrichtung ansteuerbare elektrische Stabilisierungsglieder umfasst zum Stabilisieren der Bewegung der jeweiligen Kolbeneinrichtung. Dies gibt die Möglichkeit, die Kolbeneinrichtungen individuell zu beeinflussen und dadurch die Freikolbenvorrichtung vielseitiger auszugestalten. Beispielsweise dient das Stabilisierungsglied zur Dämpfung des Freikolbenmotors, wobei zum Beispiel eine Wirbelstrombremse zum Einsatz kommen kann.
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Der Einsatz von Stabilisierungsgliedern ermöglicht es vorteilhafterweise, die mindestens eine Rückfedereinrichtung geringer zu dimensionieren. Zum Beispiel wird der Austausch der Rückfedereinrichtung durch eine elektrische Energiespeichereinrichtung oder eine magnetische Feder vereinfacht.
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Vorzugsweise sind die Kolbeneinrichtungen koaxial zueinander ausgerichtet, um eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung zu erzielen.
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Insbesondere in Kombination mit der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform ist es günstig, wenn die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen so steuerbar und/oder regelbar sind, dass diese gegenläufig bewegbar sind. Dies ist zum Ausgleich der bewegten Massen und zum Ausgleich der Momente von Vorteil. Die Anforderungen an die mechanische Beanspruchbarkeit der Komponenten der Freikolbenmotoren können gesenkt werden, beispielswese durch reduzierte Vibrationen. Dies bietet Vorteile hinsichtlich Gewicht, Effizienz, Herstellung und Kosten. Beispielsweise werden bei in viertakt-betriebenen Freikolbenmotoren die Arbeitskolben während der Abwärtsbewegung aufeinander zu bewegt und während der Aufwärtsbewegung voneinander weg, oder umgekehrt.
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Die Freikolbenvorrichtung kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform den jeweiligen Freikolbenmotoren zugeordnete Rückfedereinrichtungen aufweisen zur Ausübung einer Rückfederkraft auf eine jeweilige Kolbeneinrichtung. Dementsprechend kann ein jeweiliger Freikolbenmotor eine Rückfedereinrichtung für die entsprechende Kolbeneinrichtung umfassen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist es günstig, wenn die Freikolbenvorrichtung eine beiden Freikolbenmotoren zugeordnete Rückfedereinrichtung umfasst, über die auf beide Kolbeneinrichtungen eine Rückfederkraft ausübbar ist. Der Aufbau der Freikolbenvorrichtung kann dadurch vereinfacht werden, und es ist eine kompaktere Bauform möglich. Beispielsweise ist eine Rückfedereinrichtung mit zentralem Rückfederraum vorgesehen, in dem ein komprimierbares Medium aufgenommen ist.
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Die mindestens eine Rückfedereinrichtung kann zumindest eines der Folgenden umfassen oder danach ausgestaltet sein:
- - ein komprimierbares Medium, insbesondere ein in einem Rückfederraum einer Kolbenaufnahme aufgenommenes Gas, wobei der Rückfederraum von einem Rückfederkolben einer Kolbeneinrichtung begrenzt ist, zur Ausbildung einer Gasfeder;
- - mechanisch ausgestaltet, insbesondere umfassend ein Federelement;
- - magnetisch ausgestaltet;
- - elektrisch ausgestaltet.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung umfasst mehr als zwei Freikolbenmotoren. Vorteilhafterweise ist eine gerade Anzahl von Freikolbenmotoren vorgesehen, wobei die Lineartriebe von zumindest je zwei Freikolbenmotoren über die Energiekopplungseinrichtung miteinander gekoppelt sind. Durch die größere Anzahl an Freikolbenmotoren kann die Leistung der Freikolbenvorrichtung gesteigert werden. Die Kopplung von je zwei Freikolbenmotoren miteinander über die Energiekopplungseinrichtung ermöglicht einen vielseitigen und effizienten Betrieb der Freikolbenvorrichtung. Vorteilhafterweise sind die Lineartriebe aller Freikolbenmotoren über die Energiekopplungseinrichtung gekoppelt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Energiekopplungseinrichtung umfasst oder ausbildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Freikolbenvorrichtung in Flachbauweise ausgeführt ist. Dabei ist es möglich, dass ein Arbeitskolben mit einem Rückfederkolben der Rückfedereinrichtung über eine Verbindungseinrichtung verbunden ist, beispielsweise eine Kolbenstange. Von der Kolbenstange können seitlich Halteelemente abstehen, an denen die Läufereinrichtung des Lineartriebs angeordnet sind. Die Magnete des Läufers sind seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert. Spulen der Statoreinrichtung können oberhalb und unterhalb der Läufereinrichtung positioniert sein. Ein derartiger Aufbau ist (bei einer Freikolbenvorrichtung mit zwei Arbeitskolben in Gegenkolbenbauweise) beispielsweise in einer der nicht-vorveröffentlichten Patentanmeldungen beschrieben: Die
DE 10 2016 109 038 A1 ,
DE 10 2016 109 029 A1 ,
DE 10 2016 109 046 A1 , deren Offenbarungsgehalte über den Aufbau des Lineartriebs und der Kolbeneinrichtung sowie deren Positionierung in einem Gehäuse in die vorliegende Anmeldung miteinbezogen werden.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Freikolbenvorrichtung eine von der Steuereinrichtung ansteuerbare elektrische Energiekopplungseinrichtung umfasst, über die die Lineartriebe miteinander gekoppelt sind und über die elektrische Energie in Betrieb der Freikolbenvorrichtung von einem Lineartrieb auf den anderen Lineartrieb und/oder umgekehrt übertragen wird, wobei korrespondierende Betriebstakte der Freikolbenmotoren zeitlich versetzt zueinander ausgeführt werden.
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Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erwähnt wurden, können bei Ausübung 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. Auch diesbezüglich wird auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen.
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Insbesondere kann ein Verfahren ausgeführt werden, bei dem die Freikolbenmotoren im Viertakt-Betrieb betrieben werden, unter Steuerung und/oder Regelung durch die Steuereinrichtung. Die Betriebstakte der Freikolbenmotoren sind zeitlich versetzt zueinander, wobei insbesondere ein Versatz von zwei Betriebstakten vorgesehen ist.
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Die nachfolgende Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Die nachfolgend erläuterten Ausführungsformen der Freikolbenvorrichtungen ermöglichen die Durchführung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung umfassend zwei Freikolbenmotoren mit zeitlich versetzt ausgeführten Betriebstakten;
- 2: die Freikolbenvorrichtung aus 1 zu einem späteren Betriebstakt;
- 3 bis 5: weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, die zwei Freikolbenmotoren 12 und 14 umfasst. Die Freikolbenmotoren 12, 14 sind identisch ausgestaltet, weswegen nachfolgend nur auf die Konstruktion des Freikolbenmotors 12 eingegangen wird. Für den Freikolbenmotor 14 gelten die Ausführungen entsprechend.
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Der Freikolbenmotor 12 umfasst eine Kolbenaufnahme 16, die ein Gehäuse bildet. In der Kolbenaufnahme 16 ist eine Kolbeneinrichtung 18 längs einer von ihr definierten Achse 20 linear hin und her beweglich aufgenommen. Die Kolbeneinrichtung 18 umfasst an einem ersten Ende einen Arbeitskolben 22 und an einem gegenüberliegenden Arbeitsende einen Rückfederkolben 24.
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In einem ersten Gehäuseabschnitt der Kolbenaufnahme 16 ist ein Arbeitsraum 26 gebildet. Der Arbeitsraum 26 wird von einer Kolbenfläche des Arbeitskolbens 22 begrenzt. Der Arbeitsraum 26 ist vorliegend ein Verbrennungsraum, in dem ein zündbares Brennstoff-Oxidator-Gemisch mittels einer Zündeinrichtung 28 gezündet werden kann. Der Oxidator ist insbesondere Luft.
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Am Arbeitsraum 26 ist ein mittels mindestens eines Ventils freigebbarer und schließbarer Einlass 30 angeordnet sowie ferner ein mittels mindestens eines Ventils verschließbarer Auslass 32.
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Das Arbeitsmedium kann dem Arbeitsraum 26 bei geöffnetem Einlass 30 zugeführt werden und darin in einem Betriebstakt (hierauf wird noch eingegangen) mittels der Zündeinrichtung 28 gezündet werden. Das Arbeitsmedium, zumindest teilweise verbrannt, kann bei geöffnetem Auslass 32 aus dem Arbeitsraum 26 abgeführt werden. Bei der Verbrennung kann das Arbeitsmedium vollständig oder teilweise verbrennen.
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An der dem Arbeitsraum 26 gegenüberliegenden Seite ist an der Kolbeneinrichtung 18 eine Rückfedereinrichtung 34 angeordnet, wobei jeder Freikolben 12, 14 eine eigenständige Rückfedereinrichtung 34 umfasst.
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Die Rückfedereinrichtung 34 weist einen von einem Gehäuseabschnitt der Kolbenaufnahme 16 gebildeten Rückfederraum 36 auf. Im Rückfederraum 36 ist ein komprimierbares Medium aufgenommen, insbesondere ein Gas. Der Rückfederraum 36 wird von einer Kolbenfläche des Rückfederkolbens 24 begrenzt.
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Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 22 von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt sich der Rückfederkolben 24 von einem unteren Totpunkt zu einem oberen Totpunkt unter Kompression des Gases. Bei einer Expansion des Gases kann eine Rückfederkraft auf die Kolbeneinrichtung 18 ausgeübt werden, um den Arbeitskolben 22 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu bewegen.
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Der Freikolbenmotor 12 umfasst einen elektrischen Lineartrieb 38. Vorliegend ist der Lineartrieb 38 axial zwischen dem Arbeitsraum 26 und dem Rückfederraum 36 angeordnet.
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Der Lineartrieb 38 umfasst eine Läufereinrichtung und eine Statoreinrichtung. Die Läufereinrichtung umfasst Magnetelemente 40, die vorliegend an einer Verbindungseinrichtung der Kolbeneinrichtung 18 festgelegt sind. Die Verbindungseinrichtung ist als Kolbenstange 42 ausgestaltet und verbindet den Arbeitskolben 22 mit dem Rückfederkolben 24.
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Die Statoreinrichtung umfasst Spulen 44, die an der Kolbenaufnahme 16 angeordnet oder in diese integriert sein können. Bei einer Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 kann über die Spulen 44 elektrische Energie mittels des als Lineargenerator wirkenden Lineartriebes 38 ausgekoppelt werden. Umgekehrt kann elektrische Energie über den Lineartrieb 38 eingekoppelt werden, um die Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 zu beeinflussen.
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Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst eine Steuereinrichtung 46, die den Freikolbenmotoren 12, 14 zugeordnet ist. In an sich bekannter Weise, symbolisiert mittels Steuerleitungen 48, 49 und 50, steht die Steuereinrichtung 46 mit der Arbeitsseite, dem Lineartrieb 38 und der Rückfedereinrichtung 34 in Wirkverbindung. An der Arbeitsseite steht die Steuereinrichtung 46 insbesondere mit der Zündeinrichtung 28, dem Einlass 30 und dem Auslass 32 in Wirkverbindung.
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In an sich bekannter Weise besteht dadurch die Möglichkeit, im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise können der Hub, das Verdichtungsverhältnis, die Frequenz des Freikolbenmotors, die Geschwindigkeit und insbesondere die Trajektorie der Kolbeneinrichtung 18 beeinflusst werden.
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Die Freikolbenvorrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass beide Freikolbenmotoren 12, 14 in einem Viertaktbetrieb betrieben werden können, mit den Betriebstakten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen. Wie nachfolgend erläutert sind die Freikolbenmotoren 12, 14 miteinander gekoppelt und können jeweils einen Viertaktbetrieb ausführen, wobei die Freikolbenmotoren 12, 14 um zwei Betriebstakte versetzt betrieben werden. Während ein Freikolbenmotor einen Ansaugtakt ausführt, führt der jeweils andere Freikolbenmotor den Arbeitstakt aus. Führt der erstgenannte Freikolbenmotor den Ausstoßtakt aus, führt der zweitgenannte Freikolbenmotor den Verdichtungstakt aus. Anschließend verhalten sich die Betriebstakte umgekehrt.
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Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst eine Energiekopplungseinrichtung 52, über die die Lineartriebe 38 elektrisch miteinander gekoppelt sind. Elektrische Energie kann im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 von einem Lineartrieb 38 auf den anderen Lineartrieb 38 und umgekehrt übertragen werden.
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Die Energiekopplungseinrichtung 52 umfasst eine parallele Verschaltung 54 der Lineartriebe 38, symbolisiert mittels zweier Anschlussleitungen 56, 57. Eine weitere Anschlussleitung 58 ist zur Auskopplung elektrischer Energie aus den Lineartrieben 38 vorgesehen.
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Ferner umfasst die Energiekopplungseinrichtung 52 einen Inverter 60, der mit den Lineartrieben 38 über die Anschlussleitungen 56, 57 und 58 in elektrischer Verbindung steht. Über den Inverter 60 können die Lineartriebe 38 gespeist werden, beispielsweise über eine dreiphasige Induktionsspannung. Über den Inverter 60 kann elektrische Energie von der Freikolbenvorrichtung 10 ausgekoppelt werden.
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Der Inverter 60 steht mit der Steuereinrichtung 46 über eine Steuerleitung 62 in elektrischer Verbindung. Die Steuerleitung 62 kann, alternativ oder ergänzend zu den Steuerleitungen 48 bis 50, bidirektional ausgestaltet sein. Mittels der Steuereinrichtung 46 kann der Inverter 60 zum Steuern und/oder Regeln des Betriebs der Lineartriebe 38 und damit der Freikolbenmotoren 12, 14 angesteuert werden. Möglich ist, dass aus diesem Grund die Steuerleitung 49 entfällt.
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Die Freikolbenmotoren 12, 14 sind so angeordnet, dass die Kolbeneinrichtungen 18 koaxial zueinander ausgerichtet sind. Die mit zeitlich versetzten Betriebstakten betriebenen Freikolbenmotoren 12, 14 sind ferner so positioniert, dass die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen 18 gegenläufig ausgeführt werden. Dies ist von Vorteil für den Ausgleich von bewegten Massen und Momenten, wodurch die Konstruktion der Freikolbenvorrichtung 10 wie vorstehend erläutert insgesamt vereinfacht werden kann.
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Nachfolgend wird unter Verweis auf die 1 und 2 auf den Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 und den Ablauf eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen.
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1 zeigt die Situation, bei der der Freikolbenmotor 12 den dritten Betriebstakt (Arbeiten) ausführt. Das Arbeitsmedium wird gezündet und expandiert im Arbeitsraum 26. Die Kolbeneinrichtung 18 bewegt sich längs der durch den Pfeil 64 symbolisierten Richtung, wobei der Arbeitskolben 22 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt wird.
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Bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 wird über den Lineartrieb 38 elektrische Energie, symbolisiert durch einen Pfeil 66, dem Inverter 60 zugeführt. Elektrische Energie kann von der Freikolbenvorrichtung 10 über den Inverter 60 ausgekoppelt werden. Zudem wird die Gasfeder des Freikolbenmotors 12 gespannt.
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Überschüssige elektrische Energie wird, symbolisiert durch einen gestrichelten Pfeil 68, an den Lineartrieb 38 des Freikolbenmotors 14 übertragen.
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Der Freikolbenmotor 14 nimmt anfänglich (1) den ersten Betriebstakt (Ansaugen) ein. Über den Einlass 30 wird dem Arbeitsraum 26 das Arbeitsmedium zugeführt. Die zum Bewegen der Kolbeneinrichtung 18 des Freikolbenmotors 14 erforderliche elektrische Energie wird gemäß dem Pfeil 68 zugeführt, um den Arbeitskolben 22 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt zu bewegen und die Gasfeder des Freikolbenmotors 14 zu spannen.
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2 stellt die Situation im nachfolgenden Betriebstakt dar, wobei der Freikolbenmotor 12 den vierten Betriebstakt (Ausstoßen) und der Freikolbenmotor 14 den zweiten Betriebstakt (Verdichten) ausführt.
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Mittels der Energie der Gasfeder wird die Kolbeneinrichtung 18 beim Freikolbenmotor 12 in Richtung des Pfeils 70 bewegt, um den Arbeitskolben 22 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zu überführen. Elektrische Energie kann über den Lineartrieb 38 ausgekoppelt und gemäß Pfeil 66 dem Inverter 60 zugeführt werden. Zusätzlich kann gemäß dem Pfeil 68 elektrische Energie an den Freikolbenmotor 14 übertragen werden, um diesen im Kompressionstakt beim Verdichten des Arbeitsmediums zu unterstützen.
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In den nicht dargestellten, darauf folgenden Betriebstakten ist die Situation umgekehrt wie am Beispiel der 1 und 2 beschrieben. Nachfolgend führt der Freikolbenmotor 14 den dritten Betriebstakt (Arbeiten) und der Freikolbenmotor 12 den ersten Betriebstakt (Ansaugen) aus, anschließend folgen die Betriebstakte vier (Ausstoßen) bzw. zwei (Verdichten).
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Die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen 18 können insbesondere so gesteuert werden, dass eine gegenläufige, synchrone Bewegung erfolgt. Beispielsweise werden obere Totpunkte und untere Totpunkte der Arbeitskolben 22 gleichzeitig durchlaufen. Die Verweildauer im oberen Totpunkt und/oder im unteren Totpunkt kann identisch sein. Die Frequenzen der Freikolbenmotoren 12, 14 können identisch sein, und die Geschwindigkeiten der Kolbeneinrichtungen 18 können übereinstimmen.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Übertragung von elektrischer Energie von einem Lineartrieb 38 zum anderen Lineartrieb 38 ohne Zwischenspeicherung in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung ausgeführt wird, wie dies bei der Freikolbenvorrichtung 10 der Fall ist. Verluste durch wiederholte Wandlung elektrischer Energie werden auf diese Weise vermieden.
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Mit der Freikolbenvorrichtung 10 werden die Vorteile des Aufbaus einer Freikolbenvorrichtung mit den Vorteilen eines Viertaktbetriebs vereint. Die Vorteile umfassen insbesondere die Nutzung der freien und/oder variablen Trajektorie der Kolbeneinrichtung 18 zur Optimierung des Wirkungsgrades, die geringen Schadstoffemissionen und den einfachen und kompakten Aufbau, vorzugsweise unter Einsatz von Standardkomponenten aus dem Bereich des Automobilbaus.
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Nachfolgend wird auf die in den 3 bis 5 dargestellten, mit den Bezugszeichen 80, 90 bzw. 100 versehenen vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung eingegangen. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile wie bei der Freikolbenvorrichtung 10 werden identische Bezugszeichen benutzt. Die mit dieser erzielbaren Vorteile können bei den Freikolbenvorrichtungen 80, 90 und 100 ebenfalls erzielt werden, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorangegangenen Ausführungen verwiesen werden kann.
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Bei der Freikolbenvorrichtung 80 in 3 umfasst die Energiekopplungseinrichtung 52 elektrische Stabilisierungsglieder 82. Jedem Freikolbenmotor 12, 14 ist ein Stabilisierungsglied 82 zugeordnet und in deren Anschlussleitungen 56, 57 und 58 geschaltet. Über eine Steuerleitung 84 kann der Betrieb der Stabilisierungsglieder 82 von der Steuereinrichtung 46 gesteuert und/oder geregelt werden.
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Die Stabilisierungsglieder 82 dienen zum Stabilisieren der Bewegung der jeweiligen Kolbeneinrichtung 18. Zu diesem Zweck können die Stabilisierungsglieder beispielsweise die Dämpfung des Freikolbenmotors 12, 14 beeinflussen. Beispielsweise sind die Stabilisierungsglieder 82 als insbesondere lineare Wirbelstrombremsen ausgeführt.
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Stabilisierungsglieder können auch bei den Freikolbenvorrichtungen 90 und/oder 100 vorgesehen sein.
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Die Freikolbenvorrichtung 90 gemäß 4 umfasst eine beiden Freikolbenmotoren 12, 14 zugeordnete Rückfedereinrichtung 92. Die Rückfedereinrichtung 92 umfasst einen Rückfederraum 94, der von den aneinander angrenzenden Gehäuseabschnitten der Kolbenaufnahmen 16 gebildet ist. Die Rückfederkolben 24 begrenzen den Rückfederraum 94 und liegen einander gegenüber. Bei der Freikolbenvorrichtung 90 ist somit eine zentrale Gasfeder vorgesehen.
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Die Nutzung nur einer Rückfedereinrichtung 92 vereinfacht den Aufbau der Freikolbenvorrichtung 90, zusätzlich wird eine kompaktere Bauform ermöglicht.
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Die Freikolbenvorrichtung 100 gemäß 5 umfasst zusätzlich zu den Freikolbenmotoren 12, 14 zwei weitere Freikolbenmotoren 102, 104, die identisch zu den Freikolbenmotoren 12, 14 aufgebaut sind. Auch die jeweilige Funktionsweise und Ansteuerung entspricht der Funktionsweise sowie Ansteuerung bei den Freikolbenmotoren 12, 14. Die Komponenten der Freikolbenmotoren 102, 104 stehen mit der Steuereinrichtung 46 und dem Inverter 60 in Wirkverbindung.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass je zwei der Freikolbenmotoren denselben Betriebstakt ausführen und je zwei Freikolbenmotoren um zwei Betriebstakte zeitlich versetzt zueinander arbeiten.
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Die Freikolbenmotoren 12 und 14 arbeiten wie vorstehend erläutert. In entsprechender Weise arbeiten die Freikolbenmotoren 102 und 104 jeweils mit demselben Betriebstakt wie die Freikolbenmotoren 12 bzw. 14, d.h. bei der Darstellung der 5 führen die Freikolbenmotoren 12 und 102 den Verdichtungstakt aus und die Freikolbenmotoren 14 und 104 den Ausstoßtakt. Für den Ansaugtakt und den Verdichtungstakt wird elektrische Energie über den Lineartrieb 38 von den jeweils anderen Freikolbenmotoren zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 80, 90, 100
- Freikolbenvorrichtung
- 12, 14, 102, 104
- Freikolbenmotor
- 16
- Kolbenaufnahme
- 18
- Kolbeneinrichtung
- 20
- Achse
- 22
- Arbeitskolben
- 24
- Rückfederkolben
- 26
- Arbeitsraum
- 28
- Zündeinrichtung
- 30
- Einlass
- 32
- Auslass
- 34, 92
- Rückfedereinrichtung
- 36, 94
- Rückfederraum
- 38
- elektrischer Lineartrieb
- 40
- Magnetelement
- 42
- Kolbenstange
- 44
- Spule
- 46
- Steuereinrichtung
- 48, 49, 50, 62, 84
- Steuerleitung
- 52
- Energiekopplungseinrichtung
- 54
- Verschaltung
- 56, 57, 58
- Anschlussleitung
- 60
- Inverter
- 64, 66, 68, 70
- Pfeil
- 82
- Stabilisierungsglieder
