DE102018000824A1

DE102018000824A1 - Vorrichtung zur Umsetzung von Verbrennungs- in Elektroenergie und Verbrennungsverfahren zum Betrieb eines Freikolbenmotors

Info

Publication number: DE102018000824A1
Application number: DE102018000824.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Huebsch Juergen De
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: DE102018000824B4; WO2019149304A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) zur Umsetzung von Verbrennungs- in Elektroenergie, mit zwei sich gespiegelt gegenüberliegenden Kolbensystemen (5a, 5b), die in einem Hauptzylinder (4) angeordnet und synchron und linear bewegbar sind, wobei zwischen den Kolbensystemen (5a, 5b) in einem inneren Zylinderraum (17) ein Ladewechselkolben (15) ausgebildet ist., sowie ein Verbrennungsverfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umsetzung von Verbrennungs- in Elektroenergie und ein Verbrennungsverfahren zum Betrieb eines Freikolbenmotors.
Stand der Technik
Bekannt sind Freikolbenlineargeneratoren. Ein Freikolbenlineargenerator umfasst üblicherweise eine Kolbenaufnahme mit einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung, die unter Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben wird. Beim üblichen Verfahren zum Betrieb des Verbrennungsmotors mit dem Freikolbenlineargenerator wird die Kolbenvorrichtung in einer Kolbenaufnahme linear beweglich geführt und die Kolbenvorrichtung wird unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben.
Das Freikolbenprinzip bedingt, dass die Umkehrpunkte einer Kolbeneinheit bei einer Hin- und Herbewegung nicht durch die kraftumsetzende Mechanik festgelegt sind. Die Freikolbenlineargeneratoren nach dem Stand der Technik weisen üblicherweise drei Teilsysteme mit einem Verbrennungsteil, einem Lineargenerator und einer Gasfeder auf. Diese sind über eine in sich starre Kolben-Läufer-Einheit miteinander verkoppelt. Die Kolbeneinheit schwingt zwischen zwei Gaspolstern, die sich im Verbrennungsteil bzw. in der Gasfeder aufbauen. Im Verbrennungszylinder wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, so dass der Druck ansteigt und die Kolbeneinheit in Richtung der Gasfeder beschleunigt. Dadurch wird das Gas im Gasfederzylinder komprimiert, so dass der Druck im Gasfederzylinder ansteigt. Die Kolbeneinheit wird zunächst verzögert und dann zurück in Richtung des Verbrennungszylinders beschleunigt. Während des Umkehrvorgangs erfolgt im Verbrennungszylinder der Ladungswechsel, wobei das Abgas durch eine Frischladung verdrängt wird. Während jeder Bewegung der Kolbeneinheit entnimmt der Lineargenerator dem System kinetische Energie und wandelt diese in elektrische Energie. Ein Teil der Energie wird als potentielle Energie in der Gasfeder zwischengespeichert.
Durch die Verbrennung im Verbrennungsteil wird der Freikolben beschleunigt. Auf der Kolbeneinheit befinden sich Permanentmagneten. Dadurch entsteht eine lineare Relativbewegung zwischen den Permanenten und Spulen. So kann die durch die Verbrennung zugeführte Energie elektrisch ausgekoppelt werden. Der Kolben wird durch die Kompression eines Mediums in einem Gasfederraum gebremst und in Richtung des Verbrennungszylinders zurückgestellt. Die Kolbeneinheit schwingt prinzipbedingt frei und wird einerseits vom Verbrennungszylinder und andererseits von der Gasfeder begrenzt.
In bekannten Systemen werden zwei gegenläufige Kolbeneinheiten verwendet, die über eine Regelung synchronisiert werden. Dabei kann eine zweite Einheit spiegelbildlich aufgebaut werden, die keinerlei funktionale Verbindung zur ersten Einheit hat. Alternativ können Funktionsräume der beiden Gasfedern oder der beiden Verbrennungsteile zusammengelegt werden. Im Falle von zwei Kolbeneinheiten mit gemeinsamem Verbrennungsteil entsteht dann ein Gegenkolbensystem.
Es wird somit kinetische Energie aus der Verbrennung über Kolben zum einen an einen Generator geführt und zum anderen in Gasfedern zwischengespeichert. Diese so zwischengespeicherte Bewegungsenergie wird nach der Expansion auf die Kolben zurückgeführt, um den Verdichtungsvorgang umzusetzen. Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise als Teil von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge, insbesondere für serielle Hybridkonzepte, eingesetzt werden. Sie lassen sich auch als Stromerzeugungseinheit zur Erzeugung von Strom oder im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken einsetzen.
Die DE 10 2004 062 440 B4 offenbart eine Freikolbenvorrichtung, die eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung aufweist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist, und mindestens einen Drucksensor aufweist, der an der mindestens einen Kolbenaufnahme angeordnet ist, wobei mindestens ein Drucksensor an einem Rückfederraum angeordnet ist.
Die DE 10 2014 001 770 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein vorhandener Elektrogenerator auch als Motor eingesetzt wird, um die nicht aktiven Bewegungsprozesse zu bedienen. Dadurch soll auf den Einsatz einer Gasfeder verzichtet werden können. Im Weiteren kann so ein Drei-Takt-Betrieb ermöglicht werden, bei dem ein Ladewechsel durch Spülung in einem Pausentakt bei ruhenden Kolben umgesetzt wird. Es wird auf die Notwendigkeit umfangreicher elektronischer Maßnahmen und Aufwendungen zur Steuerung und Regelung dieses Verfahrens hingewiesen.
Verfahren unter Verwendung von Gasfedern bedingen, dass zur Einleitung der oszillierenden Bewegung, deren Hub und Energie ausreicht, einen Kreisprozess, wie er beim Zwei- oder Viertaktverfahren notwendig ist, aufrecht zu erhalten, ein großer Aufwand notwendig ist. Die Massen der Kolben müssen mit allen Komponenten in Wechselwirkung mit den Gasfedern in Schwingung gesetzt werden und in Resonanz geführt werden. Diese Resonanz muss im Betrieb aufrecht erhalten werden.
Um den Startprozess auszuführen und einen stabilen Lauf zu sichern, müssen zahlreiche sensible und sich ständig ändernde Parameter elektronisch erfasst und ausgewertet werden. Daher benötigt das Verfahren einen großen Rechneraufwand und aufwändige Software. Dies bedingt, dass die bekannten Freikolbenlineargeneratoren nicht spontan startbar sind und den propagierten Wirkungsgrad nur erreichen, wenn sie nach der Startphase in der benötigten Betriebstemperatur laufen und sich die Betriebsparameter stabilisiert haben. Dazu muss der Druck in den Gasfedern aufwändig steuerbar verändert werden. Das benötigt mindestens eine Vorrichtung, die komprimiertes Gas bereitstellt.
Zudem wird bei den bekannten Freikolbenlineargeneratoren vorzugsweise das Zweitaktverfahren umgesetzt, wobei der Ladewechsel kompromissbehaftet sein kann. Beim Ladewechsel durch Spülung, wie er beim Zweitaktverfahren angewandt wird, wird das verbrauchte Arbeitsgas aus dem Verbrennungsraum durch Frischgas in direktem Kontakt verdrängt. Dies führt unweigerlich zu einer Vermischung oder Überspülung. Dieses Ladewechselverfahren ist nur für enge Betriebsbereiche pseudooptimal einstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wobei das Kompressionsverhältnis veränderbar ist und so die Anwendung unterschiedlicher Kraftstoffe im selben System ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Vorrichtung zur Umsetzung von Verbrennungs- in Elektroenergie sowie ein Verbrennungsverfahren zum Betrieb eines Freikolbenmotors offenbart.
Das Verbrennungsverfahren ist ein Drei-Schritt-Vollprozess-Verbrennungsverfahren. Dabei wird eine Vorrichtung, ein Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie, eingesetzt. Der Verbrennungsprozess übersetzt sich in eine elektrische Leistung. Der Verbrennungsprozess wirkt auf keine drehende Welle, da der Freikolbenmotor ein Verbrennungsmotor ohne Kurbelwelle ist. Die Umsetzung der translatorischen Kolbenbewegung in elektrische Energie erfolgt ohne den Zwischenschritt einer rotatorischen Bewegung. Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator kann zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug zum Einsatz kommen, um dessen Elektromotoren mit Strom zu versorgen und/oder dessen Akkus nachzuladen. Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator wandelt die chemische Energie des Kraftstoffs in elektrische Energie um.
Erfindungsgemäß wird der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator in einem Verbrennungsverfahren zur Umsetzung eines kompromissfreien Ladewechsels verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren offenbart einen dreistufigen Vollprozess zur Umsetzung der Verbrennungsenergie, der nach Abschluss der dritten Stufe, also des Ladewechsels, beendet ist. Weitere Vollprozesse können unmittelbar oder bei reduziertem Leistungsbedarf mit zeitlichem Abstand folgen. Dabei verhält sich jede weitere Prozessfolge zu seiner vorausgegangenen gespiegelt. Jeder Vollprozess setzt dabei die thermodynamisch maximal umsetzbare Energie in einen elektrischen Energieimpuls um.
Da jeder Vollprozess innerhalb einer definierten Zeit einen definierten Energieimpuls ausgibt, ist die abnehmbare Leistung allein durch die Pausenzeit zwischen den Vollprozessen und somit über die Arbeitsfrequenz nach unten bestimmbar. Anders als bei konventionellen Verbrennungskraftmaschinen erübrigt es sich bei diesem Verfahren, die Vorrichtung für einen Betrieb unter Lastwechselbedingungen auszulegen.
Der erfindungsgemäße Drei-Schritt-Vollprozess-Linearkolbengenerator weist ein gegenläufiges Kolbenpaar, einen frei beweglichen Ladewechselkolben sowie eine elektromagnetische Einheit auf. Dieser Ladewechselkolben wird nach der in einem zweiten Arbeitsschritt erfolgten Expansion durch Anblasen mit zuvor komprimierter Frischluft im Arbeitszylinder zur Gegenseite gedrückt. Dabei schiebt der Ladewechselkolben das verbrauchte Arbeitsgas vollständig aus dem Arbeitszylinder, während ihn gleichzeitig Frischgas bzw. -luft hinterströmt.
Es wird ein Drei-Schritt-Verfahren zum Betrieb des Freikolbenlineargenerators offenbart. Dieses Drei-Schritt-Verfahren ist ein Vollprozess und nach Abschluss des dritten Schrittes beendet. Es weist dabei zusammengefasst folgende Schritte auf:

a) Kraftstoffeinbringung, Verdichten und Zünden
b) Verbrennen und Arbeiten
c) Ladewechsel

Anders als bei bekannten Verbrennungsverfahren wird hier keine Energie zwischengespeichert, die zur Weiterführung der Abläufe in eine Wiederholung führt. Es werden für einen vollständig abgeschlossenen Prozessablauf drei Kolbenbewegungen ausgeführt. Des Weiteren wird jedem Prozessablauf dieselbe, idealisierte Menge Kraftstoff zugeführt.
Im ersten Schritt a) wird eine stöchiometrisch ausgewogene Kraftstoffmenge in einen mit Luft gefüllten Arbeitsraum eingespritzt und mit dieser während einer Verdichtung zu einem homogenen Arbeitsgas vermischt. Das Gas kann fremdgezündet werden oder die Kompression wird kontrolliert soweit fortgeführt, bis das Gemisch zwingend durchzündet und in Verbrennung übergeht. Es erfolgt also eine kontrollierte Selbstzündung. Alternativ zur Kraftstoffeinspritzung kann der Arbeitsraum statt mit Luft mit einer fertigen Arbeitsgasmischung gefüllt werden. In diesem Fall würde das System statt Frischluft zündfähiges Arbeitsgas ansaugen.
Im zweiten Schritt b) wird die freigesetzte Wärmeenergie durch Volumenarbeit an den Kolben über eine elektromagnetische Einheit in elektrische Energie umgesetzt. Parallel dazu wird die Luftmenge komprimiert, die im folgenden Schritt benötigt wird.
Im dritten Schritt c) wird mittels des Ladewechselkolbens das verbrauchte Arbeitsgas durch Frischluft ersetzt. Es werden für den Ladewechsel zwei Vorgänge gleichzeitig mit nur einer Kolbenbewegung ausgeführt. Dies wird durch den genannten zusätzlichen Kolben, dem Ladewechselkolben, ermöglicht. Dieser Ladewechselkolben wechselt nach abgeschlossener Expansion seine Position zur Gegenseite und drückt so das verbrauchte Gas aus dem Zylinder. Gleichzeitig füllt sich der hinter ihm freiwerdende Raum mit Frischluft bzw. Frischgas. Der Ladewechselkolben kann durch den Druck der zuvor komprimierten Luft bewegt werden.
Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator als Gesamtsystem weist zwei ineinandergreifende Hauptgruppen auf. Zum einen setzt ein mechanischer Komplex die thermodynamischen Vorgänge in Bewegung um und umgekehrt. Zum anderen bewirkt ein elektromagnetischer Komplex die Umsetzung der Abläufe im mechanischen Teil aus elektrischer- und in elektrische Energie.
Die Verbrennungsenergie aus unterschiedlichen Quellen wird hoch effizient umgesetzt. Es können sowohl gasförmige als auch flüssige Kraftstoffe biologischer, chemischer oder fossiler Herkunft im selben Verfahren umgesetzt werden. Es wird eine schadstoffminimierte Verbrennung erzielt. Eine reibungsreduzierte Kräfteumsetzung erhöht den Wirkungsgrad, verringert die Abnutzung und verlängert die Lebensdauer.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, dass der Einsatz eines Ladewechselkolbens die räumliche Trennung zwischen Abgas und Frischgas bewirkt und einen effizienten Ladewechsel ermöglicht. Das verbrauchte Arbeitsgas wird, im Vergleich zum Vier-Takt-Verfahren, in einem deutlich verkürzten Ladewechselvorgang nahezu vollständig ausgeräumt. Im Vergleich zum Ladewechsel durch Spülung ist dieser kompromissfrei.
Die Ladewechselenergie ist zum einen durch die eingesparten Kolbenbewegungen und zum anderen durch den reibungsminimierten Kolbenlauf geringer. Der Ladewechselkolben kann sich durch das „Anblasen“ ohne bzw. nahezu ohne mechanischen Kontakt zur Zylinderwand bewegen. Die beim Verbrennungsvorgang belasteten Kolben- und Zylinderflächen wechseln nach jedem Arbeitsschritt. Ihre thermische Beanspruchung ist daher erheblich reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei weiterhin den Vorteil, dass die Verbrennung des Arbeitsgases durch eine kontrollierte, durch Kompression herbeigeführte Zündung erfolgt (HCCI). Diese Zündmethode stellt das höchste Potential einer thermodynamisch idealen und schadstoffreduzierten Energieumsetzung zur Verfügung. Die durch Kompression herbeigeführte Verbrennung ermöglicht, dass in einem umsetzbaren Rahmen das Verhältnis zwischen umsetzbarer Energie und Schadstoffemission maximiert ist.
Die Funktionslogik des Verfahrens erlaubt das Zusammenwirken und Ineinandergreifen natürlicher Vorgänge in den Bewegungsfluss, die parallele Umsetzung mehrerer Funktionsabläufe in jedem der Einzelschritte und die Mehrfachnutzung ohnehin benötigter Funktionselemente. Das minimiert die konstruktiven Aufwendungen für mechanische und elektrische Komponenten. Auch elektronische Maßnahmen zu Sensorik, Steuerung und Regelung der Prozessabläufe gestalten sich überschaubar.
Die Magnetspulen, die das Öffnen und Schließen der Kolbenventile auslösen, können ebenso als elektronische Sensoren genutzt werden, um die Endpositionen der Kolbenanordnungen zu erkennen. Die Spulenanordnungen der Statoren können elektronisch so beschaltet werden, dass diese zur sensorischen Erfassung der Kolbenpositionen während derer Bewegungen genutzt werden können. Der Innendruck ist dort anhand auslesbarer Strom- bzw. Spannungsparameter in Echtzeit bestimmbar.
Das Verbrennungsverfahren öffnet neue Möglichkeiten gegenüber dem bislang bekannten Stand der Technik. Die Architektur bzw. der Aufbau der Verbrennungsmaschine kann wesentlich vereinfacht werden, wobei keine Abstriche im Bezug auf Effizienz, Schadstoffemission oder Nachhaltigkeit gemacht werden müssen.
Zur Herbeiführung der optimierten Verbrennung und zur Steuerung der motorischen Abläufe ist ein lediglich geringer Energieeinsatz notwendig. Die Verluste durch Reibung, Abgaswärme und Kühlung sind minimiert. Aus diesem Grund wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach, kompakt und überschaubar aufgebaut. Sie weist eine geringe Bauteilvielfalt sowie einfache und fertigungsfreundliche Einzelbaugruppen auf, sie kann montagefreundlich, oder eventuell automatisiert zusammengebaut werden. Sie hat einen geringen Wartungsaufwand und geringe Herstellungskosten für ein langlebiges und nachhaltiges Motorsystem.
Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator kann als Stromerzeugungseinheit an Bord eines Elektrofahrzeugs dienen und somit eventuell auftretende Problemen mit Akkus bezüglich der Kosten und der Reichweite abhelfen. Die Energie für den Elektromotor kann direkt oder in Verbindung mit, eventuell auch kleineren Akkumulator-Systemen, zur Verfügung gestellt werden. Immer schärfere Abgasgrenzwerte erfordern derartige neue Antriebskonzepte in der Automobilindustrie. Der Verbrennungsmotor kann unterstützend in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere ist der Einsatz für längere Strecken, die von Elektrofahrzeugen bewältigt werden sollen, geeignet. Deren Akkumulatoren müssten mit höherer Kapazität, größer und schwerer, dimensioniert sein. Sie würden daher hohe Ladeströme beanspruchen. Daher kann der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator für Mittel- und Langstrecken zusätzlich als Elektrogenerator eingesetzt werden, der aus Kraftstoff elektrische Energie erzeugt.
Das Gesamtsystem weist lediglich sechs reibungsbehaftete Zonen in Form von Lagerungen auf, um die Bewegungskräfte stabil umzusetzen. Somit entsteht ein Vorteil bezüglich Reibung und Verschleiß. Die synchrone, gegenläufige Bewegung der Massen kompensiert Vibrationsmomente und macht das System leise und vibrationsarm.
Es können Ausführungen unterschiedlicher Leistung als kompakte Einzelmodule bereitgestellt werden, die platzsparend, dem Leistungsbedarf entsprechend, zu Einheiten kombiniert werden können.
In einer Einheit aus mehreren Modulen würde der Ausfall eines Moduls nicht zum Totalausfall des Gesamtsystems führen. Es kann mit reduzierter Leistung weiterarbeiten. Dieser sicherheitsrelevante Aspekt eignet das Verfahren zum Einsatz in Luftfahrzeugen.
Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator kann auch in stationären Anwendungen wie beispielsweise in der Energiewirtschaft eingesetzt werden. Er kann auch zum Ausgleich von Schwankungen der Leistungen von erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen oder zur Notstromversorgung.
Die beschriebene Vorrichtung ist serientauglich. Die Bauteile und Baugruppen weisen vergleichsweise geringe Vielfalt und Komplexität auf. Sie können bei Serienfertigung günstig bereitgestellt und zusammengebaut werden.
Einzeln auswechselbare Bauteile reduzieren Müll-, Reparatur- und Wartungskosten. Die robuste und dennoch leichte Bauweise ermöglicht auch den Einsatz in Katastrophen- oder Dritte Weltregionen.
Dieser Lineargenerator ist verzögerungsfrei in einem Bereich von Sekundenbruchteilen start- und stoppbar. Die abnehmbare Leistung ist proportional zur Arbeitsfrequenz. Diese ist von ihrer Maximalen nach unten frei steuerbar. Der Kraftstoffverbrauch verhält sich dabei ebenso proportional. Ein Elektrofahrzeug kann somit mit einem emissionsreduzierten und verbrennungsoptimierten Betrieb mit verschiedenen Kraftstoffen zur Erzeugung der benötigten elektrischen Energie betrieben werden.
Die Bereitstellung elektrischer Energie erfolgt kurzfristig, dauerhaft, stationär oder mobil. Kompakte Einzelmodule sind dem Energiebedarf entsprechend skalierbar. Der Transportaufwand reduziert sich auf ein notwendiges Minimum. Der Einsatz des Verbrennungsmotors sowie des Verfahrens zu seinem Betrieb lässt sich für verstärkte Elektromobilität zu Land, zu Wasser und in der Luft einsetzen.
Die Anordnungen der den Hauptzylinder umschließenden Rohre und die dadurch entstehenden Kanäle zur Führung von Kühlflüssigkeit, Abgas und Frischluft ergeben, neben der konstruktiven Einfachheit, hohe Stabilität und eine günstige thermische Kopplung der Kammern bzw. Kanäle untereinander. Dem Kühlkreislauf wird nicht nur die Wärme aus dem Arbeitsraum, sondern auch die Wärme aus dem Abgaskanal zugeführt. Das erhöht die entnehmbare Wärmeenergie, die in einer Kühlflüssigkeit transportiert und z.B. zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums oder der Akkuzellen umgesetzt werden kann. Gleichzeitig bewirkt die Wandverbindung zwischen Abgas und Luftkanal einen thermischen Ausgleich mit der eingesaugten Luft und wärmt diese vor.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Die 1 bis 8 stellen einen Drei-Schritt-Vollprozess im Ablauf dar.

1 zeigt die Ausgangslage des Drei-Schritt-Vollprozesses,
2 zeigt die Zündungsphase,
3 stellt die Arbeits- oder Expansionsphase dar,
4 zeigt den Ladewechsel,
in 5 wird das Ende des Ladewechsels bzw. des Vollprozesses dargestellt,
6 stellt die Einleitung zur Kompressionsphase dar,
7 zeigt den Beginn der Kompressionsphase und
8 stellt die Kompressionsphase dar.

Nachfolgende Bezugszeichen, die mit a oder b aufgeführt sind, bezeichnen identische Bauteile oder Baugruppen, die sich in den Figuren links und rechts gespiegelt gegenüberstehen.
In 1 ist ein Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator 1 dargestellt. Sie zeigt die End- und Ausgangslage des Prozesses. In dieser Lage verbleibt das System bis zu einem Neustart.
Der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator 1 weist zwei ineinandergreifenden Hauptgruppen 2, 3a, 3b auf. Zum einen, setzt ein mechanischer Komplex, die erste Hauptgruppe 2, die thermodynamischen Vorgänge in Bewegung um und umgekehrt. Zum anderen bewirkt ein elektromagnetischer Komplex, die zweite Hauptgruppe 3a und 3b, die Umsetzung der Abläufe im mechanischen Teil aus elektrischer- und in elektrische Energie. Der elektromagnetische Komplex 3a, 3b weist zwei symmetrische, sich gespiegelt gegenüberliegende Anordnungen aus Läufern 28a, 28b und Statoren 29a, 29b, auf. Sie liegen mechanisch getrennt, sind aber elektrisch verkoppelt und synchronisiert. Sie sind als Einheit zu betrachten.
In einem symmetrisch aufgebauten Hauptzylinder 4 werden zwei, sich gespiegelt gegenüberliegende Kolbensysteme 5a, 5b geführt. Diese Kolbensysteme 5a, 5b bewegen sich synchron und linear, bei der Kompression zur Zylindermitte hin und bei der Expansion aus der Mitte voneinander weg. Jedes Kolbensystem 5a, 5b weist einen Außenkolben 6a, 6b und ein mittiges Ventilelement 7a, 7b auf. 1 zeigt die äußeren Endpositionen der Kolbensysteme 5a, 5b.
Die Außenkolben 6a, 6b sind so gestaltet, dass deren jeweiliger Kolbenkopf 8a, 8b einen kleineren Durchmesser hat als ihr jeweiliges Fußteil 9a, 9b. Des Weiteren sind die Außenkolben 6a, 6b jeweils mit einem Kolbenrohr 10a, 10b verbunden, welches die Bewegungskräfte der Kolbensysteme 5a, 5b außerhalb des Zylindersystems führt.
Das Kolbenventil 7a, 7b ist so gestaltet, dass sein jeweiliges Kopfteil 11a, 11b, das in Tellerform ausgebildet ist, so am Kolbenkopf 8a, 8b des Außenkolbens 6a, 6b wirkt, dass es zum einen diesen dichtend verschließen kann und zum anderen die im Arbeitsraum (13) wirkenden Kräfte auf den Außenkolben 6a, 6b überträgt. Der tellerförmige Ventilkopf 11a, 11b ist so ausgebildet, dass er im geschlossenen Zustand eine homogene Fläche mit dem Kolbenkopf 8a, 8b des Außenkolbens 6a, 6b bildet.
Das Kolbenventil 7a, 7b ist mittels einer Stange 12a, 12b, die durch das Kolbenrohr 10a, 10b führt, von außen öffenbar und hat die Aufgabe, den Luft- bzw. Gasfluss zwischen den Zylinderräumen vor- und hinter den Kolbensystemen 5a, 5b zu steuern.
Der Hauptzylinder 4 ist derart aufgebaut, dass sein innerer Zylinderraum, also der Arbeitsraum 13, so gebohrt ist, dass die Kolbenköpfe 8a, 8b beider Kolbensysteme über die gesamte Bewegungsstrecke darin geführt werden können. Die äußeren Zylinderseiten 14a, 14b sind in ihren Durchmessern für den Lauf der Kolbenfüße 9a, 9b angepasst und bilden das Saug- und Pumpsystem für die Frischluft bzw. das Frischgas. Dieser Durchmesser bestimmt sich daraus, dass die Volumenänderung bei einer Kolbenbewegung außen größer sein soll als im Arbeitsraum 13.
Zwischen den Kolbensystemen 5a, 5b befindet sich im inneren Zylinderraum, also dem Arbeitsraum 13, ein weiterer Kolben, der Ladewechselkolben 15, der sich bei Druckdifferenz an seinen Außenflächen frei im Innenzylinder 17 hin und her bewegen kann. Seine Außenflächen sind so ausgebildet, dass sie jeweils flächig an den Kolbenköpfen 8a, 8b anliegen können. Sein Außendurchmesser ist so bemessen, dass er bei seiner Bewegung von einem Gaspolster umspült wird und somit Reibung reduziertbar ist.
Die Abgasöffnungen 16a, 16b am Innenzylinder sind schlitzförmig ausgebildet und symmetrisch in gleichem Abstand zur Zylindermitte des Innenzylinders so platziert, dass sie zum Expansionsende bei auseinander gefahrenen Kolben 5a, 5b frei bzw. vor diesen liegen.
Da der Ladewechselkolben 15 zum Ende jeder Expansionsphase immer im Wechsel an einem der beiden Kolbenköpfe 8a, 8b anliegt, soll von diesem die jeweilige Abgasöffnungsanordnung abgedeckt und verschlossen sein.
Die Läufer 28a, 28b der elektromagnetischen Einheit 3a, 3b, also der zweiten Hauptgruppe, sind kraftschlüssig mit den jeweiligen Kolbenrohren 10a, 10b verbunden. Sie können ring- oder rohrförmig ausgebildet sein, so dass sie in ihrer translatorischen Bewegung platzsparend die äußeren Enden der ersten Hauptgruppe 2 in geringem Abstand überfahren können. Sie können dadurch stabil und ohne zusätzliche Führung bzw. Lagerung geführt werden. Die Statoren 29a, 29b sind dann ebenso ring- oder rohrförmig gestaltet. Sie sind kraftschlüssig mit dem Gesamtsystem verbunden und umschließen die Läufer 28a, 28b in geringem Abstand so, dass eine optimale magnetische Wechselwirkung stattfinden kann. Diese Anordnung benötigt wenig Platz bei großer magnetisch wirksamer Fläche, weist hohe Stabilität auf und ist günstig herzustellen. Alternativ sind andere Anordungen denkbar.
2 stellt die Zündungsphase und die innere Endposition der Kolbensysteme 5a, 5b dar. Das Arbeitsgas ist so weit verdichtet, dass es von selbst zündet oder mittels geeigneter Vorrichtung aus der Zylindermitte fremdgezündet wird.
Ist der Außendurchmesser am Hauptzylinder 4 über dem Bereich des Arbeitsraumes 13 verjüngt und mit einem umschließenden Rohr 18 abgedichtet, kann in dem Zwischenraum 19 Kühlflüssigkeit geführt werden. Es sind Anschlüsse zur Ein- und Ausbringung von Kühlflüssigkeit angeordnet, die in der Fig. nicht dargestellt sind.
Ein weiteres Rohr 20 umschließt den Hauptzylinder 4 in einem Abstand so, dass ein Zwischenraum 21 entsteht, in den das Abgas aus dem Arbeitsraum 13 eingeleitet und durch eine Abgasöffnung 22 nach außen geführt wird.
3 zeigt eine Arbeits- bzw. Expansionsphase im Arbeitsschritt, kurz vor Freiwerden der Abgasöffnung 16a. Die Kolben 5a, 5b bewegen sich nach außen in ihre Endlage. Die elektromagnetische Einheit 3a, 3b arbeitet als Lineargenerator.
Eine weitere äußere Rohranordnung 23 umschließt zentrisch die gesamte Vorrichtung. In ihr wird Frischluft von außen bis an die Kolbensysteme 5a, 5b geführt und dient gleichzeitig als Pufferraum für die komprimierte Frischluft bzw. Frischgas. Eine Einlassöffnung 24 an diesem Rohr ist mit einem selbsttätigen Ventil 25 versehen, das nur bei einem Druckgefälle nach innen Luft bzw. Gas einströmen lässt und sonst geschlossen ist.
Die Enden der äußeren Rohranordnung 23 sowie die Enden des Hauptzylinders 4 werden jeweils durch eine Platte 26a, 26b abgeschlossen, die beide kraftschlüssig zentrisch fixiert und nach außen abdichtet. Die mittigen Bohrungen 27a, 27b dienen als Führungen und Lagerungen für die nach außen führenden Kolbenrohre 10a, 10b.
An den Kolbenrohren 10a, 10b sind, als Teil der elektromagnetischen Einheit 3a, 3b, jeweils die Läufer 28a, 28b kraftschlüssig befestigt und bedürfen keiner zusätzlichen Lagerungen. Sie bewegen sich mit den Außenkolben 6a, 6b linear und liegen sich, außerhalb der Zylinderanordnung, symmetrisch gespiegelt gegenüber. Die Statoren 29a, 29b der elektromagnetischen Einheit 3a, 3b sind kraftschlüssig und/oder justierbar mit dem Gesamtsystem so angeordnet, dass sie optimal in Wechselwirkung mit den Läufern 28a, 28b sind. Läufer 28a, 28b und Statoren 29a, 29b können so gestaltet sein, dass sie platzsparend das Gesamtsystem umschließen.
4 stellt den Vorgang des Ladewechsels dar. Die Kolbensysteme 5a, 5b sind in ihrer Endlage. Die Auslassöffnungen 16a links sind frei und das verbrauchte Arbeitsgas strömt in den Abgaskanal 21. das Kolbenventil 7b rechts wird geöffnet und der Wechselkolben 15 durch die im vorausgegangenen Schritt komprimierte Luft zur Gegenseite geblasen, wodurch das entspannte Abgas aus dem Zylinder geschoben wird. Das Druckniveau zwischen Abgas im Abgaskanal 21 und der einströmenden Frischluft wird so eingestellt, dass es an der freigewordenen Abgasöffnung 16b rechts während des Ladewechsels zu keiner Gasvermischung kommt.
Alternativ kann vor Beginn des Ladewechsels das rechte Kolbensystem 5b so weit eingefahren werden, dass die Auslassöffnung 16b vom Außenkolben 6b überdeckt ist.
In 5 ist das Ende des Ladewechsels dargestellt. Dies ist auch das Ende eines Vollprozesses. Ein Gaspolster 31 verhindert einen harten Aufprall.
6 zeigt die Einleitung zur Kompressionsphase. Die Kolbensysteme 5a, 5b bewegen sich zur Mitte. Dabei bleibt das Kolbenventil 7b noch offen. Die elektromagnetische Einheit 3a und 3b, also die zweite Hauptgruppe, arbeitet als Linearmotor.
In 7 ist der Beginn der Kompressionsphase dargestellt. Das Kolbenventil 7b ist jetzt geschlossen. Die Kompression beginnt und Kraftstoff wird über eine geeignete Vorrichtung 33 eingebracht. An den Kolbenrückseiten 32a, 32b entsteht Unterdruck, das Einlassventil 25 öffnet und Frischluft bzw. Frischgas wird angesaugt.
Die Kraftstoffeinbringung muss nicht zwingend wie beschrieben erfolgen. Es ist auch möglich, ein fertiges Luft/Kraftstoffgemisch statt reine Luft in das System zu saugen, beispielsweise vergleichbar einem Vergaser oder der Voreinspritzung im Ansaugweg. Vorteilhafterweise entfallen die Kraftstoffeinbringung an der Zylindermitte und die dazu notwendigen Anwendungen.
8 stellt die Kompressionsphase dar. Der Kraftstoff vermischt sich mit der Luft und wird verdichtet. Im Luftkanal 36 ist Füllstoff bzw. ein Vlies 37a, 37b eingebracht, der bzw. das strömungsbegünstigend ausgebildet sein kann und das Volumen des Luftkanals 36 gewichtsarm reduziert. Bei werkstoffbedingter Notwendigkeit einer Schmierung kann einem saugfähigen Füllstoff 37a, 37b kapillarisch von außen, beispielsweise durch einen Docht (nicht dargestellt) z.B. Öl zugeführt werden. Die Kapillarwirkung sorgt auf natürlichem Weg und energiefrei für eine gleichbleibende Sättigung. Die angesaugte Frischluft umströmt im Betrieb diesen Füllstoff und führt so mitgerissenen Schmierstoff an alle reibungsbehafteten Zonen.
Das elektromagnetische System hat zum einen die Aufgabe, die Bewegungsenergie auf die Kolbenanordnungen zu übertragen, die notwendig ist ein Kraftstoffgemisch ausreichend zu verdichten und zum anderen, die bei der Verbrennung umsetzbare Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln.
Die beiderseits aus den Kolbenrohren 10a, 10b herausragenden Ventilstangen 12a, 12b werden mittels geeigneter Vorrichtung so steuerbar, dass sie nach abgeschlossener Expansion den Ladewechsel einleiten und während der Kolben-Zurückbewegung über eine längere Strecke relativ zum Kolbenrohr 10a, 10b nach innen gedrückt gehalten werden können. So kann das Kolbenventil 7a, 7b über einen steuerbaren Weg geöffnet bleiben.
Beispielhaft ist das so gelöst, dass an den Ende der Ventilstangen 12a, 12b axial magnetisierte Permanentmagnete 34a, 34b befestigt sind, die sich jeweils mittels Feder vom Kolbenrohr 10a, 10b so abdrücken, dass die Kolbenventile 7a, 7b in Normallage geschlossen sind. Tauchen die Magnete 34a, 34b in den Wirkbereich ihrer elektrischen Spulen 35a, 35b, die kraftschlüssig mit dem Gesamtsystem verbunden sind, kann eine jeweilige Spule 35a, 35b durch ein gegengerichtetes Magnetfeld solange Kraft auf den jeweiligen Magneten 34a, 34b ausüben, wie sich dieser in ihrem magnetischen Einflussbereich befindet. Ebenso kann ein gleichgerichtetes Magnetfeld das Schließen des Kolbenventils 7a, 7b beschleunigen.
Bei einer Schmiermethode, die beim erfindungsgemäßen Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator 1, aber auch in konventionellen Motorkonzepten angewendet werden kann, ist vorgesehen, dass im Luftkanal 26 ein saugfähiger Füllstoff 37a, 37b eingebracht ist, der mittels einer Kapillarwirkung mit einem Schmierstoff, der aus Öl ausgebildet sein kann, gesättigt ist und während des Betriebs von eingesaugtem Frischgas bzw. -luft so umströmt wird, dass dieses Schmierstoff mitreist und an die reibungsbehafteten Zonen führt.
Da der Komprimierungsvorgang erst beginnen kann, wenn das Kolbenventil 7a, 7b geschlossen ist, kann so das Ausgangsvolumen und damit die wirksame Arbeitsgasmasse einfach gesteuert werden, während das maximal erreichbare Expansionsvolumen unverändert bleibt.
Diese Technik erlaubt es, den Druck des Arbeitsgases nach der Verbrennung in einem weit größeren Bereich nutzbar zu machen als dies in konventionellen Verbrennungsmotoren möglich ist. Parallel zum Abgasdruck sinkt auch dessen Temperatur und somit die Belastung für Umwelt und Material.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator
2: erste Hauptgruppe (Verbrennungsteil)
3a: elektromagnetische Einheit der zweiten Hauptgruppe
3b: elektromagnetische Einheit der zweiten Hauptgruppe
4: Hauptzylinder
5a: Kolbensystem
5b: Kolbensystem
6a: Außenkolben
6b: Außenkolben
7a: Kolbenventil (Ventilelement)
7b: Kolbenventil (Ventilelement)
8a: Kolbenkopf
8b: Kolbenkopf
9a: Fußteil Kolben
9b: Fußteil Kolben
10a: Kolbenrohr
10b: Kolbenrohr
11a: Kopfteil Ventilelement
11b: Kopfteil Ventilelement
12a: Stange Ventilelement
12b: Stange Ventilelement
13: Arbeitsraum / Zylinderraum
14a: äußere Zylinderseite
14b: äußere Zylinderseite
15: Ladewechselkolben
16a: Abgasöffnung
16b: Abgasöffnung
17: Innenzylinder
18: erstes Rohr
19: erster Zwischenraum (Kühlung)
20: zweites Rohr
21: zweiter Zwischenraum (Abgaskanal)
22: Auslassöffnung
23: äußere Rohranordnung
24: Einlassöffnung
25: Einlassventil
26a: Platte
26b: Platte
27a: mittige Bohrung
27b: mittige Bohrung
28a: Läufer
28b: Läufer
29a: Stator
29b: Stator
30a: Kolbenzwischenraum
30b: Kolbenzwischenraum
31: Gaspolster
32a: Kolbenrückseite
32b: Kolbenrückseite
33: Vorrichtung zur Kraftstoffeinbringung
34a: Magnet Ventilelement
34b: Magnet Ventilelement
35a: Magnetspule
35b: Magnetspule
36: Luftkanal
37a: Füllstoff bzw. Vlies
37b: Füllstoff bzw. Vlies

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004062440 B4 [0007]
DE 102014001770 A1 [0008]

Claims

Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) zur Umsetzung von Verbrennungsin Elektroenergie, mit zwei sich gespiegelt gegenüberliegenden Kolbensystemen (5a, 5b), die in einem Hauptzylinder (4) angeordnet und synchron und linear bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kolbensystemen (5a, 5b) in einem inneren Zylinderraum (17) ein Ladewechselkolben (15) ausgebildet ist.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewechselkolben (15) im inneren Zylinderraum (17) durch Druckdifferenz bewegt wird.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kolbensystem (5a, 5b) einen Außenkolben (6a, 6b) und ein mittiges Ventilelement (7a, 7b) aufweist.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkolben (6a, 6b) jeweils einen Kolbenkopf (8a, 8b) aufweisen, die einen kleineren Durchmesser haben als seine jeweiligen Fußteile (9a, 9b) und dass die Außenkolben (6a, 6b) jeweils mit einem Kolbenrohr (10a, 10b) verbunden sind, mit dem die Bewegungskräfte der Kolbensysteme (5a, 5b) außerhalb eines Zylindersystems führbar sind.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewechselkolben (15) Außenflächen aufweist, die jeweils flächig an den Kolbenköpfen (8a, 8b) der Außenkolben (6a, 6b) anliegen.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenköpfe (8a, 8b) der Außenkolben (6a, 6b) jeweils Ventilelemente (7a, 7b) aufweisen, wobei mit deren tellerförmig ausgebildete Kopfteilen (11a, 11b) die Kolbenköpfe (8a, 8b) jeweils dichtend verschließbar sind und die auf die Kopfteile (11a, 11b) wirkenden Kräfte auf die jeweiligen Außenkolben (6a, 6b) übertragbar sind.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilelemente (7a, 7b) mittels einer Stange (12a, 12b) durch das Kolbenrohr (10a, 10b) öffenbar sind und dadurch ein Gasfluss zwischen den Zylinderräumen im Hauptzylinder (4) vor und hinter den Kolbensystemen (5a, 5b) steuerbar ist.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewechselkolben (15) zum Ende einer Expansionsphase im Wechsel an Kolbenkopf (8a) oder am Kolbenkopf (8b) anliegt.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Rohr (20) das erste Rohr (18) und den Innenzylinder (17) in einem Abstand so umfasst, dass im Zwischenraum (21) das Abgas an eine Öffnung (22) nach außen geführt wird und dieser Abgaskanal über seine Außenwände thermisch auf die Kühlflüssigkeit und auf die angesaugte Frischluft wirkt.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Rohranordnung (24) das gesamte System zentrisch so umschließt, dass darin Frischluft von außen bis an die Kolbensysteme (5a, 5b) geführt wird und dadurch ein Luftkanal als Pufferraum für die komprimierte Frischluft ausgebildet ist.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) aus zwei ineinandergreifenden Hauptgruppen (2, 3a, 3b) ausgebildet ist, wobei zum einen ein mechanischer Komplex, die erste Hauptgruppe 2, die thermodynamischen Vorgänge in Bewegung umsetzt und umgekehrt, und dass zum anderen durch einen elektromagnetischen Komplex, die zweite Hauptgruppe (3a, 3b), die Umsetzung der Abläufe im mechanischen Teil aus elektrischer und in elektrische Energie umgesetzt wird, wobei in einem symmetrisch aufgebauten Hauptzylinder (4) zwei, sich gespiegelt gegenüberliegende Kolbensysteme (5a, 5b) geführt sind und die Kolbensysteme (5a, 5b) sich synchron und linear, bei der Kompression zur Zylindermitte hin und bei der Expansion aus der Mitte voneinander weg bewegen und jedes Kolbensystem (5a, 5b) aus einem Außenkolben (6a, 6b) und einem mittigen Ventilelement (7a, 7b) ausgebildet ist.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkolben (6a, 6b) so gestaltet sind, dass deren jeweiliger Kolbenkopf (8a, 8b) einen kleineren Durchmesser hat als ihr jeweiliges Fußteil (9a, 9b) und des Weiteren der Außenkolben (6a, 6b) jeweils mit einem Kolbenrohr (10a, 10b) verbunden ist, das die Bewegungskräfte der Kolbensysteme (5a, 5b) außerhalb des Zylindersystems führt und das Ventilelement (7a, 7b) so gestaltet ist, dass sein jeweiliges Kopfteil (11a, 11b), der in Tellerform ausgebildet ist, so am Kolbenkopf (8a, 8b) des Außenkolbens (6a, 6b) wirkt, dass er zum einen diesen dichtend verschließt und zum anderen die im Arbeitsraum (13) wirkenden Kräfte auf den Außenkolben (6a, 6b) überträgt und der tellerförmige Ventilkopf (11a, 11b) so ausgebildet ist, dass er im geschlossenen Zustand eine homogene Fläche mit dem Kolbenkopf (8a, 8b) des Außenkolbens (6a, 6b) bildet und das Ventilelement (7a, 7b) mittels der Stange (12a, 12b) durch das Kolbenrohr (10a, 10b) von außen geführt wird und den Luft oder Gasfluss zwischen den Zylinderräumen vor- und hinter dem Kolbensystem (5a, 5b) steuert und der Hauptzylinder (4) so aufgebaut ist, dass sein Arbeitsraum (13) so gebohrt ist, dass die Kolbenköpfe (8a, 8b) beider Kolbensysteme über die gesamte Bewegungsstrecke darin geführt werden und die äußeren Zylinderseiten (14a, 14b) in ihren Durchmessern für den Lauf der Kolbenfüße (9a, 9b) angepasst sind und das Saug- und Pumpsystem für die Frischluft bilden und dieser Durchmesser sich daraus bestimmt, dass die Volumenänderung bei einer Kolbenbewegung außen größer ist als im Arbeitsraum (13).
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kolbensystemen (5a, 5b) im Arbeitsraum (13) der Ladewechselkolben (15) angeordnet ist, der sich bei Druckdifferenz an seinen Außenseiten frei im Innenzylinder (17) hin und her bewegt und dessen Außenflächen so ausgebildet sind, dass sie jeweils flächig an den Kolbenköpfen (8a, 8b) anliegen, wobei sein Außendurchmesser so gewählt ist, dass er bei seiner Bewegung von einem Gaspolster umspült wird und somit Reibung reduziert wird, wobei die Abgasöffnungen (16a, 16b) am Innenzylinder (17) symmetrisch in gleichem Abstand zur Zylindermitte des Innenzylinders (17) platziert sind, dass sie zum Expansionsende bei auseinander gefahrenen Kolben (5a, 5b) frei vor diesen liegen und dort mehrere Öffnungen (16a, 16b) ringförmig um den Innenzylinder (17) angeordnet sind und der Ladewechselkolben (15) zum Ende jeder Expansion immer im Wechsel an einem der beiden Kolbenköpfe (8a, 8b) anliegt, so dass von diesem die jeweilige Abgasöffnungsanordnung abgedeckt wird.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Ventilstange (12a, 12b) ein axial magnetisierter Permanentmagnet (34a, 34b) befestigt ist, der sich mittels einer Feder vom Kolbenrohr (10a, 10b) so abdrückt, dass das Kolbenventil (7a, 7b) in Normallage geschlossen ist, wobei beim Eintauchen des Permanentmagneten (34a, 34b) in den Wirkbereich einer elektrischen Spule (35a, 35b), die kraftschlüssig mit dem Gesamtsystem verbunden ist, deren gegengerichtetes Magnetfeld so lange Kraft auf diesen Permanentmagneten (34a, 34b) ausübt, so lange sich dieser in ihrem magnetischen Einflussbereich befindet und ein gleichgerichtetes Magnetfeld das Schließen des Kolbenventils (7a, 7b) beschleunigt.
Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftkanal (36) saugfähiger Füllstoff (37a, 37b) eingebracht ist, der mittels Kapillarwirkung mit Schmierstoff gesättigt ist und während des Betriebs von eingesaugter Frischluft oder Frischgas so umströmt wird, dass dadurch der Schmierstoff mitgerissen und an reibungsbehaftete Zonen geführt wird.
Verbrennungsverfahren mit einem Drei-Schritt-Vollprozess-Lineargenerator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit folgenden Schritten: a) Kraftstoffeinbringung, Verdichten und Zünden b) Verbrennen und Arbeiten c) Ladewechsel, wobei ein vollständig abgeschlossener Prozess zur Umsetzung von Verbrennungsenergie in Bewegungsenergie nach dem Schritt c) beendet ist und der Ladewechsel c) unter Einsatz eines Ladewechselkolbens (15) erfolgt.
Verbrennungsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewechsel c), ein Austausch eines verbrauchten Arbeitsgases mit frischer Luft oder frischem Arbeitsgas, unter Einsatz des Ladewechselkolbens (15) in einem Schritt durch eine Kolbenbewegung erfolgt.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung eines Vollprozesses bei hoher Arbeitsfrequenz ohne Zeitverzug oder bei niedriger Arbeitsfrequenz verzögert nach Beendigung eines vorangegangenen Vollprozesses stattfindet, wobei die abnehmbare Energiemenge proportional zur Arbeitsfrequenz ist.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) reine Luft oder ein Luft/Kraftstoffgemisch eingesaugt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe a) entweder Kraftstoff in eine Luftmasse im Arbeitsraum (13) eingebracht wird und sich dort mit dieser vermischt, oder vorhandenes, bereits gemischtes Arbeitsgas im Arbeitsraum (13) zwischen zwei sich aufeinander zu bewegenden Kolbensystemen (5a, 5b) verdichtet wird, wobei das Arbeitsgas fremdgezündet wird oder eine Kompression so weit fortgeführt wird, bis das Arbeitsgas zwingend durchzündet und in die Verbrennung b) übergeht.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe b) die freigesetzte Wärmeenergie durch Volumenarbeit an den sich voneinander weg bewegenden Arbeitskolben einer elektromagnetische Einheit (3a, 3b) als kinetische Energie zugeführt und so in elektrische Energie umgesetzt wird und eine Luftmenge oder Arbeitsgasmenge komprimiert wird, die im nachfolgenden Schritt c) benötigt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewechselkolben (15) nach abgeschlossenem Expansionsvorgang seine Position zur Gegenseite wechselt und das verbrauchte Arbeitsgas über eine Abgasöffnung (16a) oder eine Abgasöffnung (16b) aus dem Zylinder (17) drückt, wobei sich der hinter ihm freiwerdende Raum mit Frischluft oder Frischgas füllt und der Ladewechselkolben (15) durch den Druck der zuvor komprimierten Luft oder des Gases bewegt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilanordnungen so steuerbar sind, dass das in Schritt b) komprimierte Gas oder die Luft so an den den Ladewechselkolben (15) geführt wird, dass dieser durch dessen Druck bewegt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnungen (7a, 7b) so steuerbar sind, dass sie im Schritt a), beim Zusammenfahren der Arbeitskolben (5a, 5b) durch verzögertes Schließen, die Kompression des Arbeitsgases bei einem geringeren Volumen beginnen lassen, als das Arbeitsgas für die Volumenarbeit nach der Zündung in einem vorgegebenen Expansionsraum zur Verfügung hat, wodurch der Arbeitsdruck effizient nutzbar ist.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Vollprozess a) und b) und c) die gleiche Menge Arbeitsgas zugeführt wird, die eine optimale Umsetzung im Expansionsraum bewirkt und so in jedem Vollprozess dieselbe Energiemenge umgesetzt wird, wobei ein Betrieb unter Lastwechsel nicht stattfindet.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die beiderseits aus den Kolbenrohren (10a, 10b) herausragenden Ventilstangen (12a, 12b) so gesteuert werden, dass sie nach abgeschlossener Expansion b) den Ladewechsel c) einleiten und während der Kolben-Zurückbewegung a) über eine längere Strecke relativ zum Kolbenrohr (10a, 10b) nach innen gedrückt gehalten werden und das Kolbenventil (7a, 7b) über einen steuerbaren Weg geöffnet bleibt und so die Arbeitsgasmenge, die nach dem Schließen des Kolbenventils (7a, 7b) verdichtet wird, bestimmt wird.
Verbrennungsverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen gleichbleibend nutzbarem Expansionsvolumen und einbringbarem Arbeitsgasvolumen steuerbar ist und dadurch die umsetzbare Expansionsarbeit nutzbar ist.