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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators, über den elektrische Energie erzeugt wird, sowie einen Freikolbenlineargenerator selbst.
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Ein solcher Freikolbenlineargenerator kombiniert einen sogenannten Freikolbenmotor, also einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, und einen sogenannten elektrischen Lineargenerator zur Auskoppelung elektrischer Energie aus dem System miteinander. Ein Freikolbenmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Wärmekraftmaschine mit innerer oder äußerer Verbrennung unmittelbar mit einer Arbeitsmaschine zum Bereitstellen von pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Energie koppelt. Der Freikolben kann sich ohne kinematische Zwangsführung frei zwischen seinen Totpunkten bewegen.
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Die Erfindung betrifft hierbei auch Freikolbenlineargeneratoren, bei denen der Läufer als ringförmiger oder scheibenförmiger Magnet in direkter Verbindung des Kolbens axial zur Längsachse positioniert ist und in einem ihn umgebenden ringförmigen Stator läuft. Darüber hinaus betrifft die Erfindung jedoch auch ein System von Läufern und Statoren, bei denen die Läufer und Statoren nicht koaxial zur Längsachse und in unmittelbarer Verlängerung des Kolbens liegen, sondern in Gruppen seitlich der Längsachse angeordnet sind. Die Läufer werden also parallel zur Längsachse hin- und hergefahren. Sieht man in Längsrichtung auf solche Systeme, so liegen Läufer-Statoren-Gruppen links und rechts bzw. oben oder unten (Raumrichtung ist nicht eingeschränkt) nebeneinander als Pakete.
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Freikolbenlineargeneratoren, die im Gegenkolbenprinzip aufgebaut sind, sehen einen Kolben und einen von ihm mechanisch getrennten Gegenkolben in einem gemeinsamen Zylinderraum vor. Ihre einander gegenüberliegenden Stirnseiten grenzen innerhalb des Zylinderraums einen gemeinsamen Brennraum ab. Dieser Brennraum wird vergrößert, wenn Verbrennungsfluid im Brennraum verbrannt wird. Die Kolben bewegen sich auseinander und werden anschließend durch einen Rückfedermechanismus wieder zusammengeschoben. Beispielsweise ist als Rückfedermechanismus eine Gasfeder für jeden Kolben vorgesehen. Im Brennraum müssen die Gas- und Brennstoffzufuhr sowie die Verbrennungsgasabfuhr gesteuert werden. Hierzu gibt es in der den Zylinderraum begrenzenden Wand zumindest einen Einlass- und zumindest einen Auslasskanal. Die Erfindung betrifft hierbei Systeme, bei denen eine sogenannte Längsspülung vorliegt. Dabei ist einer der Kolben ein sogenannter Einlasskolben und der andere ein sogenannter Auslasskolben. Der zumindest eine Einlasskanal mündet in dem Bereich der Wand in den Zylinderraum, der vom Einlasskolben bei dessen Bewegung überstrichen wird, der Auslasskanal im Bereich der Wand, der vom Auslasskolben überstrichen wird.
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Je nachdem, wann die Kolben ihre Kanäle in der Zylinderwand schließen oder freigeben, werden Steuerzeiten für den Ladungswechsel definiert. Bei der vorliegenden Erfindung sind keine Ventile zur Gaszufuhr oder Gasabfuhr vorgesehen, vielmehr werden diese Ventile durch den Einlasskolben und den Auslasskolben ersetzt.
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Soll bei einem im Gegenkolbenprinzip arbeitenden Freikolbenlineargenerator ein Phasenversatz in der Bewegung zwischen dem Einlasskolben und dem Auslasskolben erreicht werden, so wird dies durch die Lage der Mündungen der Kanäle in den Brennraum und/oder durch entsprechende Gestaltung der sogenannten Pleuel und Kurbelwellen bzw. anderer Getriebeeinrichtungen eingestellt. Dadurch wird erreicht, dass im Expansionstakt vom oberen zum unteren Totpunkt zunächst der Auslasskanal freigegeben wird, wodurch das verbrannte Gas aus dem Brennraum in den Abgaskanal strömen kann. Danach öffnet der Einlasskolben auch den Einlasskanal zum Zuführen von Frischluft oder einem Brennstoff-Luftgemisch. Damit schiebt die sogenannte Frischladung das Abgas aus dem Brennraum. Danach verschließt der durch den Phasenversatz vorauseilende Auslasskolben den Auslasskanal, wodurch am Ende des Ladungswechsels nur noch der Einlasskanal geöffnet ist. Die Zeit nach dem Schließen des Einlasskanals wird zur Aufladung der Frischladung auf einen gewünschten Ladedruck genutzt. Bei den Freikolbenlineargeneratoren wird bislang dieser Phasenversatz durch die Mechanik des Kurbeltriebes eingestellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators sowie einen Freikolbenlineargenerator zu schaffen, mit dem bzw. durch den sich höhere Wirkungsgrade bei geringerem Kraftstoffverbrauch erreichen lassen. Dies soll möglichst mit wenig baulichem Aufwand realisiert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators, der nach dem Gegenkolbenprinzip aufgebaut ist, gelöst, wobei der Freikolbenlineargenerator einen gemeinsamen Zylinderraum, in den Brennstoff eingebracht wird, aufweist, wobei im Zylinderraum ein entlang dessen Längsachse beweglicher Einlasskolben sowie ein im Zwischenraum entlang der Längsachse beweglicher, mechanisch vom Einlasskolben separater Auslasskolben vorgesehen sind. Der Auslasskolben bildet den Gegenkolben zum Einlasskolben. Die aufeinander zu gerichteten Stirnseiten von Einlasskolben und Auslasskolben grenzen innerhalb des Zylinderraums einen Brennraum ab. Ferner sind mit dem Einlasskolben und dem Auslasskolben mechanisch gekoppelte Läufer und zugeordnete Statoren vorgesehen, in denen jeweils elektrische Energie bei Bewegung des zugeordneten Läufers generierbar ist. In einer der den Zylinderraum begrenzenden Wand ist zumindest ein Einlasskanal sowie zumindest ein Auslasskanal vorgesehen, die jeweils in den Brennraum münden und die vom Einlasskolben bzw. vom Auslasskolben bei ihrer Bewegung verschlossen und freigegeben werden. Die Erfindung sieht vor, dass die Bewegungen von Einlasskolben und Auslasskolben so gesteuert werden, dass das von ihnen erzielte effektive Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das effektive Expansionsverhältnis. Durch die Verlängerung des Expansionshubs wird das Gas länger entspannt und kühlt stärker ab, wodurch die im Gas enthaltene Energie besser ausgenutzt wird. Damit ergibt sich ein thermodynamisch höherer Wirkungsgrad. Diese Erhöhung des Expansionsverhältnisses im Vergleich zum Verdichtungsverhältnis kann auf verschiedenste Weise durch Einzelmaßnahmen oder durch eine Kombination von mehreren Maßnahmen erreicht werden.
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Das Verdichtungsverhältnis liegt insbesondere im Bereich von 8:1 bis 10:1, das Expansionsverhältnis im Bereich von 9:1 bis 11:1 und das Verhältnis von Expansions- zu Kompressionsverhältnis im Bereich von 1,25:1 bis 1,75:1.
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Beispielsweise erfolgt die Steuerung der Bewegung des Einlasskolbens und/oder des Auslasskolbens durch die Steuerung ihrer Statoren. Die Statoren können nämlich den zugeordneten Läufern einen unterschiedlichen Widerstand entgegensetzen, wenn dieser sich entlang seines Stators bewegt. Über diesen verstellbaren Widerstand lassen sich Totpunkte, Phasenversätze oder Hublängen beliebig einstellen, ohne dass die Mechanik selbst geändert werden müsste.
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Eine weitere Alternative oder zusätzliche Variante zur Steuerung der Kolbenbewegungen ergibt sich durch Veränderung einer Rückstellvorrichtung, z. B. einer Gasfeder. Die Gasfeder liegt an dem unteren totpunktseitigen Bereich des Kolbens und liegt sozusagen an der dem Brennraum entgegengesetzten Seite der jeweiligen Einheit. Entweder wird der Kolben selbst auf der der Brennkammer entgegengesetzten Stirnseite Teil der Gasfeder oder mit dem Kolben ist eine Stange verbunden, die dann in einen Kolben übergeht, der wiederum in einem Zylinder sitzt, wobei dieser Kolben mit diesem Zylinder die Gasfeder bildet. Durch die Gasfeder wird für die Rückstellung des jeweiligen Kolbens gesorgt, wobei ein oder mehrere Ventile Gas zuströmen oder ausströmen lassen, sodass der Gasdruck einstellbar ist und damit der Widerstand für den Einlasskolben und den Auslasskolben.
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Vorzugsweise werden Einlass- und Auslasskolben so gesteuert, dass der Auslasskanal vor dem Einlasskanal geöffnet wird. Somit ergibt sich ein frühes Ausströmen des Verbrennungsgases. Mit Öffnen des Auslasskanals ist die Expansionsphase beendet.
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Weiter bevorzugt wird der Auslasskanal zeitlich vor dem Einlasskanal geschlossen. Mit Schließen des Auslasskanals beginnt die Verdichtungsphase.
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Der Einlasskolben und der Auslasskolben werden ferner so gesteuert, dass der Einlasskanal über eine längere Zeitperiode geöffnet ist als der Auslasskanal, insbesondere ist der Einlasskanal um mindestens den Faktor 1,5 länger geöffnet als der Auslasskanal.
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Dadurch, dass die Kanäle beispielsweise zeitversetzt offen sind und/oder der Einlasskanal relativ spät geschlossen wird, wird die Verdichtungsphase reduziert, zugleich wird die Expansionsphase verlängert. Um unterschiedlich lange Verdichtungsphasen und Expansionsphasen und damit auch unterschiedliche effektive Verdichtungsverhältnisse und effektive Expansionsverhältnisse erzielen zu können, können auch die Umkehrpunkte der beiden Kolbenbewegungen zeitversetzt sein, insbesondere um maximal 20 % der Periodendauer der Kolbenbewegung. Die Periodendauer der Kolbenbewegung ist die Zeit, die vom Erreichen des oberen Totpunkts bis zum nächsten Erreichen des oberen Totpunkts vergeht.
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Beim Betreiben des Freikolbenlineargenerators sollte zuerst der Auslasskolben seinen unteren Totpunkt erreichen, bevor der Einlasskolben seinen unteren Totpunkt erreicht. Alternativ oder zusätzlich sollte der Auslasskolben zuerst seinen oberen Totpunkt erreichen, bevor der Einlasskolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Hierdurch wird, wie oben erläutert, die Verdichtungsphase verringert, ebenso wie der zugeordnete Hub.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Freikolbenlineargenerator durchgeführt, bei dem sowohl der Einlasskanal als auch der Auslasskanal im Bereich des unteren Totpunkts des Einlasskolbens bzw. des unteren Totpunkts des Auslasskolbens liegt. Der Kanal ist jeweils so groß, dass der untere Totpunkt verstellt werden kann. Mit Erreichen des unteren Totpunkts und um den unteren Totpunkt herum ist der jeweilige Kanal dann offen. Es sollten sich gewisse Bereiche um die unteren Totpunkte herum ergeben, innerhalb derer die beiden Kanäle freigelegt sind. Wird beispielsweise für den Einlasskolben der untere Totpunkt weiter weg vom oberen Totpunkt gelegt, so ist dann der entsprechende Einlasskanal länger offen als vor der Verstellung.
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Der Brennraum hat eine axiale Mitte, bezogen auf die Längsrichtung, die sich dadurch ergibt, dass die beiden gegenläufigen Kolben keinen Phasenversatz haben und auch gleichen Abstand von dieser axialen Mitte besitzen. Auch die unteren Totpunkte sind in der Ausgangslage gleich weit von der axialen Mitte entfernt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zumindest einer der Kolben bezüglich seines oberen Totpunkts verstellbar ist, sodass er näher zur axialen Mitte oder weiter weg von der axialen Mitte liegt als in der symmetrischen Ausgangsstellung, die zur Bestimmung der axialen Mitte dient.
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Eine Idee hierbei sieht vor, dass der obere Totpunkt des Einlasskolbens näher zur axialen Mitte liegt als der obere Totpunkt des Auslasskolbens. Damit werden die zugeordneten Kanäle zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht, unter der Voraussetzung, dass sie gleich weit von der axialen Mitte aus beginnen, wie es die bevorzugte Ausführungsform vorsieht. Umgekehrt kann aber auch der Auslasskolben einen näher zur axialen Mitte verschobenen oberen Totpunkt haben.
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Auch die unteren Totpunkte können unterschiedlich weit von der axialen Mitte liegen und entsprechend eingestellt werden.
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Vorzugsweise können sämtliche Einstellungen, die zuvor erwähnt sind, stufenlos erfolgen.
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Vorteilhaft kann auch sein, wenn die Hublängen von Einlasskolben und Auslasskolben unterschiedlich sind. Insbesondere kann der Hub des Einlasskolbens größer sein als der des Auslasskolbens, sodass der Auslasskolben länger im Bereich des unteren Totpunkts verbringt und damit der Einlasskanal, der in diesem Bereich liegt, länger geöffnet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht auch vor, dass nicht nur ein Betriebszustand mit dem Freikolbenlineargenerator gefahren werden kann, sondern beliebige. Die oben genannten Parameter können abhängig vom Betriebszustand verändert werden, d. h. Lage der Totpunkte, Phasenversatz der Bewegungen des Einlasskolbens und des Auslasskolbens und/oder die Hublänge des Einlasskolbens und/oder des Auslasskolbens. Hier kann bei Volllast beispielsweise das Expansionsverhältnis zugunsten des steigenden Verdichtungsverhältnisses reduziert werden, wogegen bei ökonomischem Betrieb das Expansionsverhältnis deutlich höher als das Verdichtungsverhältnis ist.
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Um den Aufwand für die Schaffung des Freikolbenlineargenerators, der erfindungsgemäß betrieben wird, zu reduzieren, ist folgende Konstruktion vorteilhaft: Der Brennraum hat die zuvor erwähnte axiale Mitte. Bezogen auf die Längsrichtung ergeben sich dabei zwei gegenüberliegende Hälften des Freikolbenlineargenerators, die jeweils die Abschnitte des Zylinderraums und des Brennraums, den Kolben, den oder die Statoren und den oder die Läufer sowie die Rückstellvorrichtungen, z. B. die Gasfedern, umfassen. Vorzugsweise sind diese beiden Hälften des Freikolbenlineargenerators identisch und spielgleich ausgebildet. D. h., dass auch die Einlassöffnung und die Auslassöffnung symmetrisch zur axialen Mitte sind.
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Die vorgenannte Aufgabe wird auch durch einen Freikolbenlineargenerator zur Durchführung des Verfahrens gelöst. Dieser Freikolbenlineargenerator arbeitet nach dem Gegenkolbenprinzip und hat einen gemeinsamen Zylinderraum, in den Brennstoff eingebracht wird. Im Zylinderraum ist ein entlang dessen Längsachse beweglicher Einlasskolben sowie ein im Zylinderraum entlang der Längsachse beweglicher, mechanisch vom Einlasskolben separater Auslasskolben, der einen Gegenkolben zum Einlasskolben bildet, vorgesehen. Die aufeinander zu gerichteten Stirnseiten von Einlasskolben und Auslasskolben innerhalb des Zylinderraums grenzen einen Brennraum ab. Mit dem Einlasskolben und dem Auslasskolben sind mechanisch Läufer gekoppelt. Ferner sind zugeordnete Statoren vorgesehen, in denen jeweils elektrische Energie bei Bewegung des zugeordneten Läufers generierbar ist. In einer den Zylinderraum begrenzenden Wand sind zumindest ein Einlasskanal sowie ein Auslasskanal vorgesehen, die in den Brennraum münden und die vom Einlasskolben bzw. vom Auslasskolben bei ihrer Bewegung verschlossen und freigelegt werden. Der Freikolbenlineargenerator hat eine elektronische Steuerung, die die Bewegung von Einlasskolben und Auslasskolben so steuert, dass das von ihnen erzielte Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das Expansionsverhältnis.
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Die Steuerung erfolgt über die Statoren und/oder zumindest eine Gasfeder zum Zurückbewegen des zugeordneten Kolbens aus der unteren Totpunktstellung. Die Statoren und/oder die Gasfeder, hier insbesondere deren Ventil oder Ventile sind signaltechnisch mit der Steuerung gekoppelt, um den Widerstand, den die Statoren und/oder die Gasfeder der Bewegung des zugeordneten Kolbens entgegensetzen bzw. entgegensetzt, zu verändern.
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Insbesondere ist die Steuerung so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit vom Betriebszustand den Widerstand, den die Statoren und/oder die zumindest eine Gasfeder dem zugeordneten Kolben bei dessen Bewegung entgegensetzen, verändert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerators, der erfindungsgemäß betrieben wird,
- - 2 ein Diagramm, welches die Positionen des Einlass- und des Auslasskolbens während eines Zyklus beim erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerator und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Generators wiedergibt,
- - 3 ein Diagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Freikolbenlineargenerators nach dem Stand der Technik wiedergibt, und
- - 4 ein Diagramm, das ebenfalls ein Verfahren nach dem Stand der Technik zum Steuern eines Freikolbenlineargenerators wiedergibt.
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In 1 ist ein Freikolbenlineargenerator dargestellt, der einen Verbrennungsmotor in Form eines Kolbenmotors mit variablem Hub hat, über den mittels Lineargeneratoren 13, 13' elektrische Energie gewonnen wird.
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Der dargestellte Freikolbenlineargenerator ist in Form eines Gegenkolbensystems ausgeführt.
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In 1 ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit das Außengehäuse des Generators weggelassen. Im Inneren des Gehäuses ist ein Zylinder 10 vorhanden, in dessen Innerem ein Zylinderraum 12 ausgebildet ist. Im Zylinderraum 12 sind ein Einlasskolben 14 und ein als Gegenkolben ausgebildeter Auslasskolben 14', die nicht miteinander mechanisch verbunden sind, aufgenommen. Die Kolben 14, 14' sind entlang einer Längsachse A des Zylinderraums 12 und der Lineargeneratoren 13, 13' jeweils hin- und herbeweglich und begrenzen durch ihre aufeinander zu gewandten Stirnseiten einen gemeinsamen Brennraum 16. Dieser ist Teil des Zylinderraums 12.
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Zwischen den Kolben 14, 14' liegt in der axialen Mitte des Zylinderraums 12 und bei symmetrischer Ausbildung und Lage der Kolben 14, 14' eine gedachte Radialebene R. Diese verläuft senkrecht zur Längsachse A.
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Der in 1 zu sehende Freikolbenlineargenerator ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Radialebene R aufgebaut, sodass sich eine linke und eine rechte Hälfte ergeben, deren Aufbau identisch ist.
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Über ein Einspritzsystem 15, welches Brennstoff in den Brennraum 16 einspritzen kann, wird der Kolbenmotor betrieben.
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Mit jedem Kolben 14, 14' ist mechanisch ein koaxial zu ihm angeordneter, eigener Rückstellkolben 18 gekoppelt, ebenso wie einer oder mehrere Läufer 20. Die Läufer 20 umfassen mehrere parallel zur Längsachse hin- und herverfahrbare Permanentmagneten 22. Die Läufer 20 werden von einer oder mehreren Spulen, die Statoren 24 bilden, umgeben oder Statoren sind angrenzend positioniert. Alternativ hierzu können auch pro Kolben 14, 14' mehrere Läufer 20, die plattenförmig ausgebildet sind, radial beabstandet von der Längsachse vorgesehen sein, die dann neben oder in Statoren bewegt werden.
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Jeder Rückstellkolben 18 ist Teil einer Rückstellvorrichtung und ist in Längsrichtung in einem zylindrischen Rückstellraum 28 begrenzt. Dadurch wird eine Gasfeder gebildet, die zum Rückstellen ihres zugeordneten Kolbens 14, 14' vorgesehen ist.
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Die Verbindung des jeweiligen Kolbens 14, 14' mit dem zugeordneten Rückstellkolben 18 und den Läufern 20 erfolgt über ein mechanisches Verbindungssystem 30.
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In jeden Rückstellraum 28 mündet zumindest ein Zulauf-Ablauf-Kanal 32, der durch ein Ventil 34 geöffnet und geschlossen werden kann, um die Federcharakteristik der Gasfeder 26 zu verändern. Dabei ist zu betonen, dass die Federcharakteristiken beider Gasfedern 26 individuell geändert werden können.
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Die Ventile 34 sind ebenso wie die Statoren 24 mit einer Steuerung 36 gekoppelt.
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Zur Zuführung von Luft und/oder einem Gemisch aus brennbarem Fluid und Luft sind ein oder mehrere Einlasskanäle 44 sowie zur Abfuhr der Verbrennungsgase ein oder mehrere Auslasskanäle 46 in der Wand des Zylinders 10 vorgesehen. Der oder die Einlasskanäle 44 münden über schlitzförmige, sich längs der Längsachse erstreckende Einlassöffnungen 48 in den Brennraum 16, wenn der Einlasszylinder 14 im Bereich des unteren Totpunkts ist oder nahe am unteren Totpunkt liegt. In der in 5 dargestellten Ausführungsform liegen der Einlasszylinder 14 und der Auslasszylinder 14' jedoch am oberen Totpunkt.
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Am entgegengesetzten Ende des Brennraums 16 münden der oder die Auslasskanäle 46 über schlitzförmige Auslassöffnungen 50 in den Brennraum 16. Solange auch hier der Auslasskolben 14' noch nicht nahe oder im unteren Totpunkt ist, bedeckt wie beim Einlasskolben 14 der Auslasskolben 14' seine zugeordneten Öffnungen, hier die Auslassöffnungen 50.
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Die Einlass- und Auslassöffnungen 48, 50 liegen gleich weit entfernt von der Radialebene R und haben vorzugsweise auch dieselbe Geometrie.
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Die Bewegung der Kolben 14, 14' nach dem Einspritzen und Zünden des Brennstoffs in den Brennraum 16 kann durch die Steuerung 36 individuell für jeden Kolben 14, 14' geändert und angepasst werden. Dies erfolgt beispielsweise über die Statoren 24 auf elektrischem Weg, die dann der Verschiebung ihres zugeordneten Läufers 20 einen größeren oder kleineren Widerstand entgegensetzen. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die Bewegung der Kolben 14, 14' über ihre zugeordneten Gasfedern 26 erfolgen, indem das jeweilige Ventil 34 entsprechend angesteuert wird, um Gas aus dem Rückstellraum 28 zeitgesteuert austreten zu lassen oder einen Austritt von Gas zu verhindern.
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Zu betonen ist, dass durch die Änderung des Widerstands gegen die Bewegung des jeweiligen Kolbens 14, 14' zwischen den Totpunkten beliebige Zeit-Weg-Verläufe für den jeweiligen Kolben erreichbar sind. Das bedeutet auch, dass während der Bewegung des Kolbens vom oberen in den unteren Totpunkt oder umgekehrt vom unteren in den oberen Totpunkt noch Veränderungen im Widerstand vorgenommen werden können, sodass die Bewegung des jeweiligen Kolbens 14, 14' vom unteren in den oberen Totpunkt und zurück über beliebige Zeit-Weg-Kurven erfolgen kann.
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Prinzipiell kann der Freikolbenlineargenerator so betrieben werden, dass die beiden Kolben 14, 14' absolut symmetrisch von der Radialebene R ausgehend in Richtung unterer Totpunkt bewegt werden, mit gleicher Geschwindigkeit und mit gleichem Hub, ohne jeglichen Phasenversatz.
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Je nach Betriebszustand lassen sich diese Bewegungen der Kolben 14, 14' aber auch verändern und für jeden Kolben individualisieren.
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3 zeigt ein Diagramm, bei dem die Bewegung von Einlass- und Auslasskolben 14, 14' ausgehend von ihren oberen Totpunkten OT identisch ist. Das bedeutet, der Hub beider Kolben 14, 14' ist identisch, es gibt keinen Phasenversatz, und ihre Ausgangslage ist gleich im Verhältnis zur Radialebene R. In der Position bei ca. 78 mm ausgehend von der Radialebene liegen, symbolisiert durch eine Linie 52, die Einlassöffnungen 48 und die Auslassöffnungen 50, d. h. sie beginnen in dieser Position der Kolben. Sobald also die Kolben 14, 14' die Einlassöffnungen 48 bzw. Auslassöffnungen 50 erreicht haben, sind die Öffnungen für den Einlass und für den Auslass von Gas bzw. Verbrennungsgas offen.
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Die Linie 54 symbolisiert die Öffnungszeit der Einlassöffnungen 48 und die Linie 56 die Zeit, in der die Auslassöffnungen 50 offen sind. Zu sehen ist gemäß 3, dass beide Öffnungen gleich lange und zur gleichen Zeit geöffnet bzw. wieder geschlossen sind.
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Wenn der Freikolbenlineargenerator entsprechend 3 gesteuert wird, sind die Steuerzeiten symmetrisch, und die Expansionszeit (von OT bis zum Erreichen der Linie 52) ist gleich lang wie die Kompressionszeit (von Linie 52, rechter Schnittpunkt, bis OT), d. h. das Verdichtungsverhältnis ist gleich dem Expansionsverhältn is.
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Der Freikolbenlineargenerator kann jedoch auch gemäß 4 angesteuert werden. Auch hier liegen die Einlass- und Auslassöffnungen 48, 50 gleich weit von der Radialebene R entfernt, jedoch sind die oberen Totpunkte unterschiedlich weit von der Radialebene R entfernt. Die Kurve 58 symbolisiert die Bewegung des Einlasskolbens und die Kurve 60 die des Auslasskolbens. Der Einlasskolben 14 liegt an seinem oberen Totpunkt näher zur axialen Mitte, d. h. näher an der Radialebene R, es liegt also eine Verschiebung zur Mitte hin vor. Die Hübe beider Kolben 14, 14' sind jedoch identisch. Ferner ist kein Phasenversatz in den Bewegungen der Kolben 14, 14' vorgesehen. Damit ergibt sich für den Betrieb die Situation, dass die Auslassöffnungen 50 früher geöffnet und später geschlossen werden als die Einlassöffnungen 48. Dies ist an den Linien 54, 56 zu sehen. Das Expansionsverhältnis entspricht dem Verdichtungsverhältnis. Eine Aufladung des Gases auf einen gewünschten Ladedruck ist hierbei nicht möglich, da beim Schließen der Einlassöffnungen 48 die Auslassöffnungen 50 noch geöffnet sind.
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2 zeigt eine energetisch optimierte Steuerung, bei der der Einlasskolben und der Auslasskolben 14 bzw. 14' so gesteuert werden, dass das von ihnen erzielte Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das Expansionsverhältnis.
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Auch bei dieser Ausführungsform werden die Auslassöffnungen 50 zeitlich vor den Einlassöffnungen 48 geöffnet und auch früher geschlossen als die Einlassöffnungen 48.
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Darüber hinaus ist die Zeitperiode (sichtbar an den Linien 54, 56), über die die Auslassöffnungen 50 geöffnet sind, deutlich kürzer als die Zeitperiode, in denen die Einlassöffnungen 48 offenliegen. Die Einlassöffnungen 48 sind mindestens um den Faktor 1,5 länger offen als die Auslassöffnungen 50.
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Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Verdichtungsphase und Erhöhung der Expansionsphase besteht darin, dass die Hübe der Kolben 14, 14' unterschiedlich sind. So ist der Hub des Einlasskolbens 14, symbolisiert durch die Kurve 58 größer, hier um etwa 3 mm, als der Hub des Auslasskolbens 14', symbolisiert durch die Kurve 60. Darüber hinaus sind die Bewegungen der Kolben 14, 14' phasenverschoben, hier um maximal 20 % der Periodendauer der Kolbenbewegung, wobei die Periodendauer die Zeit der Bewegung eines Kolbens vom oberen Totpunkt aus bis zum erneuten Erreichen des oberen Totpunktes ist.
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Schließlich sind auch die oberen Totpunkte OT und die unteren Totpunkte UT nicht nur wegen der Hubdifferenz zueinander verschoben. Der obere Totpunkt des Auslasskolbens 14' liegt näher zur axialen Mitte als der obere Totpunkt (beide mit OT abgekürzt) des Einlasskolbens 14. Nachdem auch der untere Totpunkt UT des Einlasskolbens 48 dann weiter weg von der Radialebene R liegt als der untere Totpunkt UT des Auslasskolbens 14', ist die Zeit, in der die Einlassöffnungen 48 freiliegen, deutlich größer als die Zeit, in der die Auslassöffnungen 50 freiliegen. Dadurch ist insgesamt die Expansionszeit länger als die Kompressionszeit und das Verdichtungsverhältnis geringer als das Expansionsverhältnis. Das Gas hat somit mehr Zeit zu entspannen und kühlt stärker ab, wodurch die im Gas enthaltene Energie besser ausgenutzt wird und der dynamische Wirkungsgrad erhöht wird.
