DE112012000915T5

DE112012000915T5 - Freikolbengenerator

Info

Publication number: DE112012000915T5
Application number: DE112012000915T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Hotta; Yuichi OHTERU; Kosuke Aiki; Hidemasa Kosaka; Kiyomi Nakakita; Tomoyuki Akita
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-11-14
Also published as: JP5447420B2; JP2012202387A; WO2012133242A1

Abstract

Ein Freikolbengenerator (10) zum Erzeugen von Elektrizität mit der linearen Hin- und Herbewegung eines Kolbens (20) ist versehen mit einer Brennkammer (26) und einem Federbereich (28), die auf zueinander gegenüberliegenden Seiten des Kolbens (20) angeordnet sind, und enthält: eine Motoreinheit (16), in der der Kolben (20) sich durch den Verbrennungsdruck, der beim Verbrennen eines Kraftstoffs in der Verbrennungskammer (26) erzeugt wird, und die Wiederherstellkraft des Federbereichs, der durch den Kolben (20) komprimiert ist, hin- und her bewegt; eine Elektrizitätserzeugungseinheit (14) zum Erzeugen von Elektrizität mit der Hin- und Herbewegung des Kolbens (20); und ein Steuermittel (50) zum Steuern der Antriebe der Motoreinheit (16) und der Elektrizitätserzeugungseinheit (14). Das Steuermittel stellt das Gleichgewicht zwischen einer Kraftstoffeinspritzmenge, die in die Verbrennungskammer eingespritzt wird und einer Erzeugungslast, der Rückstoßkraft des Federbereichs (28), einer Einlassluftmenge in die Verbrennungskammer (26), usw., ein, wodurch die Bewegungsfrequenz des Kolbens (20) oder das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung eingestellt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Freikolbengenerator zum Erzeugen von Elektrizität in Abhängigkeit von einer linearen Hin- und Herbewegung eines Kolbens.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise ist ein Freikolbengenerator weit bekannt, der aufgebaut ist, indem eine Generatoreinheit in einen Freikolbenmotor eingebaut wird, der bewirkt, dass ein Kolben innerhalb eines Zylinders hin- und herbewegt wird mittels von Verbrennungsdruck, der bei der Verbrennung eines Kraftstoffs im Inneren einer Verbrennungskammer erhalten wird, und der Elektrizität in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt.
LITERATUR DES STANDES DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP 2008-223628 A
Patentdokument 2: JP 58-139532 U
Patentdokument 3: JP 2006-170071 A

NICHT-PATENTDOKUMENTE

Nicht-Patentdokument 1: Itsuro KIMURA und Tadayoshi SAKAI, „College-Vorlesung: Verbrennungsmotor", Maruzen Co., Ltd., Seite 269.
Nicht-Patentdokument 2: Fujio NAGAO, „Auslegung und Diskussion von Freikolbengasgeneratoren", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, April 1956.

ZUSAMMENFASSUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Ein Freikolbenmotor hat ein Problem, dass es extrem schwierig ist, da der Kolben keine mechanische Begrenzung hat, die Periode der Kolbenbewegung und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung auf gewünschte Werte einzustellen. Diese Situation kann Einbußen in der thermischen Effizienz des Motorteils, Einbußen in der Stromerzeugungseffizienz und Fluktuationen in der Bewegungsfrequenz (die wiederum Fluktuationen in der Stromerzeugungsmenge erzeugen) hervorrufen. Aufgrund dieser Phänomene ist es möglich, dass eine Synchronisierung zwischen den Bewegungsperioden einer Mehrzahl von Zylindern nicht erreichbar ist, was zum Erzeugen von unerwünschten Vibrationen führt.
Hier offenbart das Patentdokument 1 als eine Technik zum Einstellen des Kompressionsverhältnisses auf einen gewünschten Wert eine Technik zum Anhalten der Stromerzeugung durch den Generator, wenn die Kolbengeschwindigkeit gleich einer vorbestimmten Geschwindigkeit oder niedriger ist. Entsprechend kann das Kompressionsverhältnis etwas auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Da jedoch ein breiter Einstellbereich nicht für die Lasterzeugung festgesetzt werden kann, ist es möglich, dass die thermische Effizienz des Motors verringert wird oder die Stromerzeugungseffizienz niedrig wird.
Weiter wurde eine Technik zum symmetrischen Anordnen von zwei Kolben auf der gleichen Achse zum Verringern von Vibrationen vorgeschlagen. Um Vibrationen unter Verwendung dieses Verfahrens zu verringern, ist es erforderlich, dass Bewegungen der zwei Kolben absolut symmetrisch sind (d. h. die Bewegungsperioden der zwei Kolben synchronisiert sind). Patentdokument 2 und Nicht-Patentdokumente 1 und 2 offenbaren Techniken, bei denen mechanische Verbindungsmechanismen und Zahnräder zum Synchronisieren der zwei Kolben verwendet werden. Entsprechend diesen Techniken kann eine Synchronisierung der zwei Kolben erreicht werden, was zur Verringerung von Vibrationen führt. Diese Techniken rufen jedoch unerwünschte Zunahmen bei der Reibung und der Trägheitsmasse hervor, wodurch sie signifikant die Effizienz des Freikolbenmotors verringern.
Patentdokument 3 beschreibt das Vorsehen eines Linearmotors, der Leistung in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung eines Kolbens erzeugt und auch dazu dient, den Kolben nach Bedarf anzutreiben. Patentdokument 3 erwähnt eine Technik des Erzielens von Synchronisation zwischen zwei Kolben, indem die Betriebsfrequenz des Linearmotors verändert wird. Patentdokument 3 beschreibt jedoch nirgends speziell, wie die Betriebsfrequenz des Linearmotors tatsächlich verändert wird.
Mit anderen Worten ist konventionell kein Freikolbengenerator verfügbar, bei dem die Kolbenbewegungsperiode und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung eingestellt werden können, während im Wesentlichen die Effizienz des Freikolbenlineargenerators auf einem bevorzugten Wert aufrecht erhalten wird (d. h. (thermische Effizienz des Motorteils) × (Stromerzeugungseffizienz des Lineargeneratorteils)). Die vorliegende Erfindung ist daher darauf gerichtet, einen Freikolbengenerator vorzusehen, bei dem die Kolbenbewegungsperiode und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung einstellbar sein können, ohne die Effizienz des Freikolbenlineargenerators zu beeinträchtigen.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Ein Freikolbengenerator gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Freikolbengenerator zum Erzeugen von Elektrizität in Abhängigkeit von einer linearen Hin- und Herbewegung eines Kolbens, wobei der Freikolbengenerator enthält: eine Motoreinheit, die einen Kolben enthält, mit einer Verbrennungskammer und einem Federteil, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens vorgesehen sind, wobei der Kolben dazu gebracht wird, sich in der Motoreinheit durch einen Verbrennungsdruck hin- und herzubewegen, der bei der Verbrennung eines Kraftstoffs im Inneren der Verbrennungskammer erhalten wird, und durch eine Rückstellkraft des Federteils, das durch den Kolben komprimiert wird; eine Stromerzeugungseinheit, die Elektrizität in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt; und ein Steuermittel, das den Antrieb der Motoreinheit und der Stromerzeugungseinheit steuert. Das Steuermittel stellt eine Kolbenbewegungsfrequenz oder ein Kompressionsverhältnis während der Verbrennung ein durch Einstellen von zumindest einem aus: einem Gleichgewicht zwischen einer Kraftstoffeinspritzmenge in die Verbrennungskammer und einer Stromerzeugungslast; einer Rückstoßkraft des Federteils; einer Luftansaugmenge in die Verbrennungskammer; einer Funkenzündtaktung; einer Kraftstoffeinspritzzeitgebung; und einem Kraftstoffeinspritzverhältnis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Motoreinheit zwei Motoreinheiten, die koaxial symmetrisch zueinander angeordnet sind, und das Steuermittel stellt die Kolbenbewegungsfrequenz so ein, dass Antriebsphasen dieser zwei Motoreinheiten miteinander übereinstimmen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer durch ein Verbrennungsverfahren mit vorgemischter Verbrennungskompressionszündung durchgeführt, bei dem ein gemischtes Gas, das durch Mischen eines Kraftstoffs und Luft erhalten wird, komprimiert und erwärmt wird auf eine hohe Temperatur, so dass Zündverbrennung hervorgerufen wird, und das Steuermittel stellt das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung so ein, dass eine Zeitgebung der Verbrennung des Kraftstoffs mit einer vorspezifizierten Zeitgebung übereinstimmt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer durch ein Funkenzündungsverfahren durchgeführt, bei dem ein gemischtes Gas, das durch Mischen eines Kraftstoffs und Luft erhalten wird, unter Verwendung eines Funkens als Zündquelle gezündet wird, und das Steuermittel verringert das Kompressionsverhältnis, wenn Klopfen erfasst wird.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Federteil eine Luftkammer, die auf einer Seite des Kolbens gegenüberliegend zur Verbrennungskammer angeordnet ist. Die Luftkammer hat ein Volumen, das sich in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens ändert, und ist angepasst, den Kolben in Richtung der Verbrennungskammer durch eine Rückstoßkraft eines Gases im Inneren der Luftkammer, wenn es komprimiert ist, zu drücken. Das Steuermittel stellt eine Luftmenge im Inneren der Luftkammer ein, um dadurch die Rückstoßkraft des Federteils einzustellen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwendet beim Einstellen der Stromerzeugungslast das Steuermittel als einen Einstellindex einen Stromerzeugungslastkoeffizienten, der ein Wert ist, der durch Teilen der Stromerzeugungslast durch eine Kolbengeschwindigkeit erhalten wird. Gemäß dieser Anordnung stellt das Steuermittel eine Menge der Stromerzeugung bevorzugt ein, indem Werte des Stromerzeugungslastkoeffizienten und der Kraftstoffeinspritzmenge eingestellt werden, wobei ein Verhältnis zwischen dem Stromerzeugungslastkoeffizienten und der Kraftstoffeinspritzmenge auf einem im Wesentlichen konstanten Verhältnis gehalten wird. Ferner erhöht das Steuermittel Werte der Bewegungsfrequenz und des Kompressionsverhältnisses bevorzugt durch Erhöhen des Verhältnisses der Kraftstoffeinspritzmenge in Bezug auf den Stromerzeugungslastkoeffizienten. Ferner stellt das Steuermittel bevorzugt die Stromerzeugungslast so ein, dass ein integrierter Wert der Stromerzeugungslast während eines Kompressionshubs größer als ein integrierter Wert der Stromerzeugungslast während eines Expansionshubs wird.
DURCH DIE ERFINDUNG ERZIELTE WIRKUNGEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung können, da die Kolbenbewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis eingestellt werden durch Einstellen von zumindest einem aus dem Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast, der Rückstoßkraft des Federteils, der Menge der Luftansaugung in die Verbrennungskammer, der Funkenzündtaktung, der Kraftstoffeinspritzzeitgebung und des Kraftstoffeinspritzverhältnisses, die Kolbenbewegungsperiode und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung eingestellt werden, ohne damit einhergehende Nachteile, wie beispielsweise eine Erhöhung des mechanischen Reibungsverlustes, der durch Vorsehen von Verbindungsmechanismen hervorgerufen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen Freikolbengenerator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Diagramm, das ein analytisches Modell zeigt.
3 ist eine Stromerzeugungseffizienzkarte, die für die Analyse verwendet wird.
4 ist eine Tabelle, die die Vorbedingungen der Analyse zeigt.
5 ist ein Diagramm, das schematisch die Betriebszustände des Freikolbengenerators zeigt.
6A ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis zeigt.
6B ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis zeigt.
6C ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis zeigt.
6D ist ein Diagramm, das ein Simulationsergebnis zeigt.
7A ist eine vergrößerte Ansicht von 6C.
7B ist eine vergrößerte Ansicht von 6D.
8 ist eine Tabelle, die ein simuliertes Verhältnis zwischen den Anfangsdrücken der Luftkammer und der Verbrennungskammer und der Bewegungsfrequenz zeigt.
9 ist ein Diagramm, das einen Bewegungszustand des Kolbens zeigt.
10 ist ein Diagramm, das einen Bewegungszustand des Kolbens zeigt.
11 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen anderen Freikolbengenerator zeigt.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm, das einen anderen Freikolbengenerator zeigt.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das einen Freikolbengenerator 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Dieser Freikolbengenerator 10 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Kolbenbewegung, die durch Verbrennungsdruck hervorgerufen wird, in elektrische Energie und zum Extrahieren der umgewandelten Energie. Der Freikolbengenerator 10 enthält zwei Erzeugungseinrichtungen 12a, 12b, die symmetrisch zueinander angeordnet sind (anschließend wird der Ausdruck ohne das alphabetische Suffix verwendet, „Erzeugungseinrichtung 12” wird verwendet, wenn Bezug auf eine der beiden Erzeugungseinrichtungen genommen wird, ohne zwischen den beiden zu unterscheiden; die gleiche Regel wird auch zur Bezugnahme auf andere Bauteile angewendet), und eine Steuereinheit 50 zum Steuern des Antriebs der zwei Erzeugungseinrichtungen 12a, 12b.
Jede Erzeugungseinrichtung 12 ist im Groben in eine Motoreinheit 16 geteilt, die eine Hin- und Herbewegung eines Kolbens 20 im Inneren eines Zylinders 18 durch Verbrennungsdruck hervorruft, und eine Erzeugungseinheit 14, die Elektrizität unter Verwendung der Bewegung des Kolbens 20 erzeugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwei solche Erzeugungseinrichtungen 12 auf der gleichen Achse angeordnet, so dass sie in Spiegelsymmetrie zueinander sind.
Eine Erzeugungseinheit 14 wird durch einen Zylinder 18 gebildet, der als der Stator dient, und einen Kolben 20, der als der Gleitkörper dient. Ein Permanentmagnet 24 ist in der Außenfläche des Kolbens 20 eingebettet, während eine Erzeugungsspule 22 fest in der inneren Wand des Zylinders 18 eingebaut ist (d. h. am Außenumfang des Permanentmagneten 24). Wenn der Kolben 20 im Inneren des Zylinders 18 durch den Antrieb der Motorantriebseinheit 16 hin- und herbewegt wird, wird das Relativpositionsverhältnis zwischen dem Permanentmagnet 24 und der Erzeugungsspule variiert, was zu Änderungen im Magnetfeld führt, das den Permanentmagnet 24 umgibt. In Abhängigkeit von diesen Änderungen im Magnetfeld wird eine induzierte elektromotorische Kraft in der Erzeugungsspule 22 hervorgerufen. Elektrischer Strom wird durch diese induzierte elektromotorische Kraft erzeugt, und der elektrische Strom, der durch diese Erzeugung erhalten wird, wird an eine Batterie oder ähnliches (nicht dargestellt) übertragen.
Die Motoreinheit 16 ist eine Einheit, die die Hin- und Herbewegung des Kolbens 20 im Inneren des Zylinders 18 hervorruft. Die Motoreinheit 16 enthält den Zylinder 18, der auch als der Stator der Erzeugungseinheit 14 dient, den Kolben 20, der auch als der Gleitkörper der Erzeugungseinheit 14 dient, und eine Verbrennungskammer 26 und eine Luftkammer 28, die im Inneren des Zylinders 18 auf den jeweiligen Seiten des Kolbens 20 vorgesehen sind. Mit anderen Worten ist der Kolben 20 zwischen der Verbrennungskammer 26 und der Luftkammer 28 positioniert. Die Verbrennungskammer 26 und die Luftkammer 28 sind so aufgebaut, dass ihre Volumina sich in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens 20 ändern. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Motoreinheiten 16a, 16b symmetrisch auf der gleichen Achse angeordnet, wobei ihre Luftkammern 28 in Richtung des Zentrums sich befinden und ihre Verbrennungskammern 26 sich am linken und rechten Ende befinden.
Wie oben beschrieben wirkt der Zylinder 18 als der Stator und hat eine Erzeugungsspule 22 darin eingebettet. Die Verbrennungskammer 26 ist an einem Ende des Zylinders 18 geformt, während die Luftkammer 28 am anderen Ende geformt ist, und der Kolben 20 ist zwischen den zwei Kammern 26, 28 in einer frei verschiebbaren Weise angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein gestufter Bereich im Inneren des Zylinders 18 geformt, dass dadurch ein Teil kleinen Durchmessers vorgesehen wird, in dem die Verbrennungskammer 26 geformt ist, und ein Teil großen Durchmessers, der einen Innendurchmesser hat, der größer als derjenige des Teils kleinen Durchmessers ist, und in dem die Luftkammer 28 geformt ist. Die oben erwähnte Erzeugungsspule 22 ist in der Innenfläche des Teils großen Durchmessers angeordnet. Die Gründe zum Ausbilden des gestuften Bereichs im Inneren des Zylinders 18 zum Vorsehen des Teils kleinen Durchmessers und des Teils großen Durchmessers werden später im Einzelnen erklärt.
Der Kolben 20 wirkt als der Gleitkörper und ist im Inneren des Zylinders 18 in einer frei verschiebbaren Weise angeordnet. Ähnlich zum Zylinder 18 ist der Kolben 20 ebenfalls mit einem gestuften Bereich versehen und enthält einen Teil kleinen Durchmessers, der sich auf der Seite der Verbrennungskammer 26 befindet, und einen Teil großen Durchmessers, der einen größeren Durchmesser als den des Teils kleinen Durchmessers hat und sich auf der Seite der Luftkammer 28 befindet. Auf diesem Kolben 20 ist der Permanentmagnet 24 in der Außenfläche des Teils großen Durchmessers angeordnet.
Die Verbrennungskammer 26 ist eine Kammer, in der ein gemischtes Gas aus Kraftstoff und frischer Luft verbrannt wird. Die Verbrennungskammer 26 ist mit Bauteilen, wie beispielsweise einem Kraftstoffeinspritzventil 30, einer Zündkerze 32, einem Ablassventil 34 und einer Spülluftentlüftung 36, versehen. Das Kraftstoffeinspritzventil 30 ist ein Ventilelement, das an der Endfläche der Verbrennungskammer 26 angebracht ist (d. h. der geschlossenen Fläche des Zylinders 18), und führt Kraftstoff in die Verbrennungskammer 26 zu. Die Zündkerze 32 zündet das gemischte Gas, das durch Mischen des Kraftstoffs und von frischer Luft erhalten wird, zum Hervorrufen der Verbrennung (oder Explosion) dadurch. Das Ablassventil 34 ist an der Endfläche der Verbrennungskammer 26 angebracht (d. h. der geschlossenen Fläche des Zylinders 18), und führt verbranntes Gas, das nach der Verbrennung erzeugt ist, zur Umgebung ab. Die Spülluftentlüftung 36 ist eine Entlüftung, die in der Verbrennungskammer 26 in einer Position in Richtung der Seite der Luftkammer 28 vorgesehen ist, um Frischluft in die Verbrennungskammer 26 einzubringen. Diese Spülluftentlüftung 36 hat eine Öffnungsgröße, die sich in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 20 verändert. Insbesondere ist, wenn der Kolben 20 sich in der Nähe eines Endteils der Seite der Verbrennungskammer 26 befindet und die Verbrennungskammer 26 in einem komprimierten Zustand ist, die Spülluftentlüftung 36 durch den Kolben 20 geschlossen. In diesem Zustand wird das Einführen von frischer Luft in die Verbrennungskammer 26 unterbunden. Weiter wird, wenn der Kolben 20 in Richtung der Seite der Luftkammer 28 (d. h. nach rechts in der Zeichnung) durch den Verbrennungsdruck bewegt wird die Spülluftentlüftung 36 nach und nach geöffnet, so dass das Einführen von frischer Luft gefördert wird. Hier kann statt der Spülluftentlüftung 36, die durch den Kolben 20 geöffnet und geschlossen wird, ein Spülluftventil vorgesehen werden, das elektrisch oder hydraulisch angetrieben wird, dass es geöffnet und geschlossen wird.
Die Luftkammer 28 ist eine Kammer, die auf einer Seite gegenüber zur Verbrennungskammer 26 vorgesehen ist und durch den Zylinder 18 und eine Endfläche des Kolbens 20 definiert wird. Gas (wie zum Beispiel Luft), das im Inneren der Luftkammer 28 vorliegt, dient als ein Federteil (Luftfeder) zum Zurückdrücken des Kolbens 20 in Richtung der Verbrennungskammer 26, nachdem der Kolben 20 in Richtung der Luftkammer 28 durch die Verbrennung des gemischten Gases bewegt ist. Insbesondere wenn der Kolben 20 in Richtung der Luftkammer 28 durch Verbrennungsdruck im Inneren der Verbrennungskammer 26 bewegt wird, wird die Luftkammer 28 komprimiert. Bei dem Vorgang der Wiederexpansion in Reaktion auf die Kompression drückt die Kammer 28 mit komprimierter Luft den Kolben 20 zurück in Richtung der Verbrennungskammer 26.
In der Luftkammer 28 ist ein Druckeinstellventil 38 vorgesehen zum Einstellen des Drucks im Inneren der Luftkammer 28. Das Druckeinstellventil 28 bewirkt, dass Luft im Inneren der Luftkammer 28 ausströmt, wenn der Druck im Inneren der Luftkammer 28 zu hoch ist, und bewirkt, dass Umgebungsluft in die Luftkammer 28 einströmt, wenn der Druck im Inneren der Luftkammer 28 zu niedrig ist. Das Druckeinstellventil 38 kann mit einer Kombination aus einem Drucksensor und einem elektromagnetischen Ventil aufgebaut sein, das in Abhängigkeit von einem Wert geöffnet und geschlossen wird, der durch den Drucksensor erfasst wird. Alternativ kann das Druckeinstellventil 38 als ein mechanisches Ventil aufgebaut sein, das mechanisch bei einem vorbestimmten Druck geöffnet und geschlossen wird, wie beispielsweise ein Lippenventil.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Zylinders 18 im Inneren der Luftkammer 28 größer gestaltet als der Innendurchmesser des Zylinders 18 im Inneren der Verbrennungskammer 26, so dass eine druckaufnehmende Fläche (d. h. eine Fläche der Berührung mit einer Endfläche des Kolbens 20) der Luftkammer 28 größer als eine druckaufnehmende Fläche der Verbrennungskammer 26 ist. Mit diesem Aufbau kann, selbst wenn der Grad der Kompression im Inneren der Luftkammer 28 niedrig ist, eine ausreichende Rückstoßkraft erhalten werden. Insbesondere hat die Kraft der Luftkammer 28 zum Drücken des Kolbens 20 einen Wert, der durch Multiplikation des Innendrucks der Luftkammer 28 mit der druckaufnehmenden Fläche des Kolbens 20 gegeben ist. Entsprechend kann mit einer größeren druckaufnehmenden Fläche eine größere drückende Kraft (Rückstoßkraft) erzielt werden. Um es anders auszudrücken kann, wenn die druckaufnehmende Fläche groß ist, eine ausreichende Rückstoßkraft erhalten werden, selbst wenn der Innendruck niedrig ist. Als Folge kann ein Temperaturanstieg, der in Zusammenhang mit der Kompression der Luftkammer 28 erzeugt wird, verringert werden, was wiederum Wärmeverlust reduziert und das Zünden von Öl verhindert.
Ferner kann gemäß der oben beschriebenen Konfiguration die Fläche der äußeren Umfangsfläche des Kolbens 20 in Bezug auf den Bohrlochdurchmesser der Verbrennungskammer 26 vergrößert werden. Durch Vergrößern der Fläche der äußeren Oberfläche des Kolbens 20, wo der Permanentmagnet 24 montiert ist, kann ein Permanentmagnet 24 mit einer größeren Fläche montiert werden. Als Folge kann die Stromerzeugungsausgabe erhöht werden.
Die oben beschriebene Motoreinheit 16 ist ferner mit Elementen versehen, wie beispielsweise einem Klopferfassungsmittel zum Erfassen des Erzeugens von Klopfen, und einem Kolbenpositionserfassungsmittel 40 zum Erfassen der Position von jedem Kolben 20. Als Klopferfassungsmittel ist es möglich, einen bekannten Klopfsensor einzusetzen.
Als das Kolbenspositionserfassungsmittel 40 kann jedes Mittel eingesetzt werden, ohne eine bestimmte Begrenzung im Hinblick auf seinen Aufbau, so lange es erfassen kann, dass der Kolben 20 in einer speziellen Position angekommen ist. Daher kann beispielsweise das Kolbenpositionserfassungsmittel 40 ein Sensor sein, der die Position des Kolbens 20 über den gesamten Hub erfasst, wie beispielsweise ein optischer Linearencoder und ein magnetostriktiver Linearversatzsensor. Bei einer alternativen Ausführungsform können ein oder mehrere Positionssensoren (optischer Sensor, Spaltsensor oder ähnliches) verwendet werden zum Erfassen von Zeitpunkten, an denen der Kolben 20 an den Sensoren vorbei gelangt, und die Bewegungsfrequenz des Kolbens 20 kann basierend auf diesen Durchlaufzeitpunkten und den bekannte Sensoreinbaupositionen berechnet werden. Ferner können erhaltene Ankunftszeitpunkte und die Sensoreinbaupositionen mit einer im Voraus bereitgestellten Bewegungscharakteristikkarte korreliert werden, können dazu verwendet werden, eine Bewegungsgleichung zu lösen, oder können auf ein einfaches Modell angewendet werden. Dadurch ist es zusätzlich möglich, Information im Hinblick auf die Zeitpunkte der Ankunft am oberen Totpunkt und am unteren Totpunkt zu erhalten, die Positionen des oberen und unteren Totpunkts (diese Positionen variieren bei Freikolbenmotoren), das Kompressionsverhältnis und die Position des Kolbens 20 über den gesamten Hub. Um weiter eine akkurate Positionsabschätzung zu ermöglichen, kann auch ein Reibungsverlust aus der Schmiermittelöltemperatur oder Wassertemperatur berücksichtigt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Zeitpunkte der Ankunft am oberen Totpunkt und am unteren Totpunkt basierend auf Drücken im Inneren der Verbrennungskammer 26 und der Luftkammer 28 erfasst werden. Insbesondere können Drucksensoren in der Verbrennungskammer 26 und der Luftkammer 28 vorgesehen werden, und der Zeitpunkt, an dem der Druck im Inneren der Verbrennungskammer 26 das Maximum erreicht, kann als der Zeitpunkt der Ankunft am oberen Totpunkt erfasst werden, während der Zeitpunkt, an dem der Druck im Inneren der Luftkammer 28 das Maximum erreicht, als der Zeitpunkt der Ankunft am unteren Totpunkt erfasst werden kann. Beim Erfassen des Zeitpunkts der Ankunft am oberen Totpunkt basierend auf dem Druck im Inneren der Verbrennungskammer 26 ist es möglich, einen als Drucksensor für diesen Zweck Drucksensor einzusetzen, der für das Erfassen des Zustands und der Taktung der Verbrennung und des Zustands und der Taktung des Gaseinlasses/-ablasses vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt der Ankunft am oberen Totpunkt erfasst werden, ohne die Anzahl der Bauteile zu erhöhen. In einem Fall, in dem der Zeitpunkt der Ankunft am unteren Totpunkt basierend auf dem Druck im Inneren der Luftkammer 28 erfasst wird, kann aus dem erfassten Ankunftszeitpunkt die Kolbenposition mit hoher Genauigkeit berechnet werden (wobei der Einfluss des Ausleckens aus der Luftkammer 28 ausgeschlossen wird), und, abhängig von der Weise der Einstellung des Drucks im Inneren der Luftfederkammer, kann der erfasste Ankunftszeitpunkt auch als Information zum Einstellen der Betriebsfrequenz verwendet werden.
Die Steuereinheit 50 dient dazu, den Antrieb der zwei Motoreinheiten 16 und der zwei Erzeugungseinheiten 14 zu steuern. Um die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung einzustellen, stellt die Steuereinheit 50 der vorliegenden Ausführungsform zumindest einen Parameter aus der Stromerzeugungslast und der Kraftstoffeinspritzmenge, der Luftmenge im Inneren der Luftkammer 28 und der Menge des Lufteinlasses in die Verbrennungskammer 26 ein. Die Gründe für das Einstellen dieser Parameter werden später im Einzelnen beschrieben.
Als nächstes wird die Arbeitsweise des Freikolbengenerators 10 beschrieben. Die zwei Motoreinheiten 16 führen den gleichen Schritt zur gleichen Zeit aus. Der Arbeitsablauf von jeder Motoreinheit 16 ist wie folgt. Zuerst wird, während der Zustand vorliegt, in dem ein gemischtes Gas aus Kraftstoff und Luft im Inneren der Verbrennungskammer 26 vorhanden ist, wenn der Kolben 20 in Richtung der Verbrennungskammer 26 bewegt wird, um dadurch ausreichend die Verbrennungskammer 26 zu komprimieren, das gemischte Gas durch die Zündkerze 32 gezündet. Als Folge dieser Zündung wird das gemischte Gas verbrannt (oder explodiert) und der daraus resultierende Verbrennungsdruck (d. h. Gasexpansionskraft) bewegt den Kolben 20 in Richtung der Luftkammer 28, so dass eine Expansion der Verbrennungskammer 26 und eine Kompression der Luftkammer 28 durchgeführt werden. Dabei wird in der Verbrennungskammer 26 das Ablassventil 34 geöffnet zum Abführen von verbranntem Gas aus der Verbrennungskammer 26. Zusätzlich, wenn sich der Kolben 20 in Richtung der Luftkammer 28 bewegt, wird die Spülöffnung 36, die durch den Kolben 20 geschlossen ist, nach und nach geöffnet, und frische Luft wird in die Verbrennungskammer 26 eingeführt.
Gleichzeitig wird die Luftkammer 28 durch den Kolben 20, der durch den Verbrennungsdruck bewegt wird, komprimiert. Wenn die Luftkammer 28 durch den Kolben 20 ausreichend komprimiert ist, drückt eine Ausdehnungskraft (oder Rückstoßkraft) der komprimierten Luft im Inneren der Luftkammer 28 wiederum den Kolben 20 in Richtung der Verbrennungskammer 26 zurück. Somit werden eine Expansion der Luftkammer 28 und eine Kompression der Verbrennungskammer 26 begonnen. Dabei ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform die druckaufnehmende Fläche der Luftkammer 28 größer als die druckaufnehmende Fläche der Verbrennungskammer 26 gestaltet. Aus diesem Grund kann die Rückstoßkraft, die durch den Gesamtkolben 20 aufgenommen wird (d. h. (Innendruck) × (druckaufnehmende Fläche)), groß gemacht werden, selbst wenn der Innendruck der Luftkammer 28 verhältnismäßig klein ist. Durch eine solche Ausbildung kann ein Temperaturanstieg der Luftkammer 28, der im Zusammenhang mit der Kompression erzeugt wird, verringert werden, was wiederum Wärmeverlust verringert und die Systemeffizienz des Freikolbengenerators 10 erhöht. Ferner kann eine Zündung einer Ölverunreinigung in der Luftkammer 28 verhindert werden.
Als Folge davon, dass der Kolben 20 in Richtung der Verbrennungskammer 26 bewegt wird, wird die Spülentlüftung 36 geschlossen. Ferner wird auch das Ablassventil 34 geschlossen, so dass die Verbrennungskammer in einen gedichteten Zustand gebracht wird. In diesem Zustand wird Kraftstoff eingespritzt, so dass dadurch das Innere der Verbrennungskammer 26 mit einem gemischten Gas aus frischer Luft und Kraftstoff gefüllt wird. Wenn der Kolben 20 ausreichend die Verbrennungskammer 26 komprimiert, wird das gemischte Gas durch die Zündkerze 32 gezündet. Dann wird der Kolben wieder in Richtung der Luftkammer 28 zum Komprimieren der Luftkammer 28 bewegt. Nachfolgend wird der oben beschriebene Zyklus wiederholt, wobei der Zyklus den oben beschriebenen Schritt der Kompression der Verbrennungskammer 26 und der Expansion der Luftkammer 28 (d. h. den Kompressionshub), den Schritt der Verbrennung gemischten Gases und den Schritt der Expansion der Verbrennungskammer 26 und der Kompression der Luftkammer 28 (d. h. den Expansionshub) enthält. Im Verlauf dieser Zyklen wird das Magnetfeld, das den Permanentmagnet 24 umgibt, der in den Kolben 20 eingebettet ist, verändert, und eine induzierte elektromotorische Kraft wird in der Erzeugungsspule 22 in Abhängigkeit von der Änderung des Magnetfelds hervorgerufen, so dass eine Stromerzeugung ausgeführt wird.
Während sich die vorliegende Ausführungsform auf eine Funkenzündung als Beispiel bezieht, kann die vorliegende Erfindung alternativ eine Verbrennung durch Kompressionszündung (d. h. Dieselverbrennung) oder eine Verbrennung durch eine vorgemischte Kompresssionszündung (d. h. PCCI (premixed charge compression ignition) oder HCCI (homogeneous charge compression ignition)) ausführen. Ferner, während in der obigen Beschreibung auf die Erzeugungseinheit 14, die den Permanentmagent 24 verwendet, Bezug genommen ist, kann durch das Einsetzen eines Reluctance-Synchronisationsmotors, der keinen Permanentmagnet 24 verwendet, die Erzeugungseinheit 14 ohne den Permanentmagnet 24 aufgebaut sein.
Wie oben beschrieben sind bei der vorliegenden Ausführungsform zwei Motoreinheiten 16 entlang der gleichen geraden Linie in Achsensymmetrie zueinander angeordnet, so dass die Luftkammern 28 sich in Richtung des Zentrums befinden. Während des Antriebs werden die zwei Kolben 20 angetrieben, dass sie Bewegungen ausführen, die synchron zueinander sind, so dass die zwei Kolben 20 in Spiegelsymmetrie bewegt werden. Insbesondere an dem Punkt, an dem der Kolben 20, der sich auf der rechten Seite der Zeichnung befindet, sich in der Richtung nach rechts zu bewegen beginnt, um die Kompression der Verbrennungskammer 26 zu starten, beginnt der Kolben 20, der sich auf der linken Seite der Zeichnung befindet, ebenso sich nach links zu bewegen, um die Kompression der Verbrennungskammer 26 zu beginnen. Zu dem Zeitpunkt, zu dem gemischtes Gas in der Verbrennungskammer 26 gezündet wird, die sich auf der rechten Seite der Zeichnung befindet, wird gemischtes Gas auch in der Verbrennungskammer 26 gezündet, die sich auf der linken Seite der Zeichnung befindet.
Auf diese Weise werden dadurch, dass man bewirkt, dass die zwei Motoreinheiten 16 den gleichen Schritt zur gleichen Zeit durchführen, die zwei Kolben 20 in Spiegelsymmetrie zueinander bewegt. Als Folge kann eine Vibrationskraft, die in einer Motoreinheit 16 hervorgerufen wird, durch Vibrationskraft, die in der anderen Motoreinheit 16 hervorgerufen wird, aufgehoben werden, so dass eine Vibration der Erzeugungseinheit insgesamt vermieden werden kann.
Um in ausreichendem Maß diesen Vibrationsaufhebungseffekt zu erzielen, ist es erforderlich, die zwei Kolben 20 präzise zu synchronisieren. Ferner, um effizient eine Stromerzeugung durchzuführen, ist es erforderlich, das Kompressionsverhältnis auf einen bevorzugten Wert einzustellen, der von der Situation und dem Kraftstofftyp abhängt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zum Erreichen dieser Anforderungen der Antriebszustand des Freikolbengenerators 10 überwacht und, in Abhängigkeit von dem überwachten Antriebszustand, zumindest ein Parameter aus dem Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast, der Menge von Luft im Inneren der Luftkammer 28, der Menge von Lufteinlass in die Verbrennungskammer 26, der Zündtaktung, der Kraftstoffeinspritztaktung und der Kraftstoffeinspritzrate eingestellt, so dass die Bewegungsfrequenz des Kolbens 20 und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung eingestellt werden.
Um es weiter im Einzelnen zu beschreiben, werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Periode der Bewegung des Kolbens 20 und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung eingestellt. Die Periode der Bewegung des Kolbens 20 wird hauptsächlich zum Zweck des präzisen Synchronisierens der zwei Motoreinheiten 16 eingestellt. Insbesondere überwacht die Steuereinheit 50, ob die Phasen der zwei Kolben 20 zueinander übereinstimmen oder nicht, basierend auf der Information, wie beispielsweise Kolbenpositionen, die unter Verwendung des Kolbenpositionserfassungsmittels 40 erfasst werden. Wenn die Phasen der zwei Kolben 20 zueinander versetzt sind, verändert die Steuereinheit 50 die Bewegungsperiode von einem Kolben 20, so dass die Phase dieses Kolbens mit der Phase des anderen Kolbens 20 übereinstimmt.
Ferner ermittelt die Steuereinheit 50 das Kompressionsverhältnis basierend auf Information wie beispielsweise Kolbenpositionen, die unter Verwendung des Kolbenpositionserfassungsmittels 40 erfasst werden, und vergleicht das ermittelte Kompressionsverhältnis mit einem Zielkompressionsverhältnisbereich. Die Steuereinheit 50 stellt dann das Kompressionsverhältnis so ein, dass das Kompressionsverhältnis innerhalb des Zielkompressionsverhältnisbereichs bleibt. Damit eine solche Einstellung gemäß den Ergebnissen des Vergleichs mit dem Zielkompressionsverhältnisbereich vorgenommen werden kann, kann die Steuereinheit 50 auch das Kompressionsverhältnis in Abhängigkeit von dem Antriebszustand einstellen. Beispielsweise in einem Fall, in dem ein Funkenzündverfahren verwendet wird, kann beim Erfassen von Klopfen die Steuereinheit 50 das Kompressionsverhältnis so verringern, dass das Klopfen eliminiert wird. Wenn ein vorgemischtes Kompressionsverbrennungsverfahren verwendet wird, unterscheidet sich die Verbrennungszeitgebung zum Halten von Verbrennungsgeräusch und thermischer Effizienz innerhalb gewünschter Bereiche in Abhängigkeit von der verwendeten Kraftstoffart. Entsprechend kann das Kompressionsverhältnis eingestellt werden, um eine bevorzugte Verbrennungszeitgebung in Abgängigkeit von dem verwendeten Kraftstofftyp zu erhalten.
Wie oben beschrieben werden bei der vorliegenden Ausführungsform die Bewegungsperiode des Kolbens 20 und das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung variabel in Abhängigkeit vom Bedarf eingestellt. Die variablen Einstellungen werden erreicht, indem zumindest ein Parameter aus dem Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast, der Menge von Luft in dem Inneren der Luftkammer 28, der Menge von Lufteinlass in die Verbrennungskammer 26 und der Zündzeitgebung eingestellt werden. Die Gründe, warum die Bewegungsdauer und das Kompressionsverhältnis durch Einstellen dieser Parameter eingestellt werden können, werden nachfolgend beschrieben.
Zuerst wird das Verhältnis des Gleichgewichts zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast in Bezug auf die Bewegungsperiode und das Kompressionsverhältnis erklärt. Als ein Ergebnis einer Analyse, die eine numerische Simulation der Bewegung des Freikolbengenerators 10 verwendet, hat der vorliegende Anmelder herausgefunden, dass die Bewegungsperiode und das Kompressionsverhältnis in Abhängigkeit vom Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast variieren. Im Folgenden werden die Ergebnisse der numerischen Simulation im Einzelnen beschrieben.
2 ist ein Diagramm, das ein analytisches Modell zeigt, das für die numerische Simulation verwendet wird. Ferner ist 3 ein Diagramm, das die Stromerzeugungseffizienz eines Lineargenerators, der für die Analyse verwendet wird, zeigt, und 4 ist eine Tabelle, die die Berechnungsbedingungen zeigt.
Wie es in 2 gezeigt ist, wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Freikolbengenerator 10, der nur eine Erzeugungseinrichtung 12 hat, als das analytische Modell verwendet. Bei diesem analytischen Modell wird die druckaufnehmende Fläche der Luftkammer 28 durch Aair bezeichnet und die druckaufnehmende Fläche der Verbrennungskammer 26 wird durch Acomb bezeichnet, wobei Aair > Acomb.
Zum Modellieren der Zünd- und Verbrennungsvorgänge wurde das Mehrschrittschalenmodell für den Zündvorgang eingesetzt. Ferner geht die vorliegende Simulation von einer vorgemischten Kompressionszündungsverbrennung aus, durch die eine niedrige NOx-Charakteristik erreicht werden kann. Wärmedissipation aus der Verbrennungskammer 26 und der Luftkammer an die Wände wird mit Woschni's Formel modelliert. Im Hinblick auf die Stromerzeugungseffizienz der linearen Erzeugungseinheit 14 wird die Karte nach 3 eingesetzt.
Ferner wird bei dem vorliegenden analytischen Modell die Steuerung so durchgeführt, dass die Stromerzeugungslast proportional zur Kolbengeschwindigkeit ist. Insbesondere wird die Steuerung so durchgeführt, dass sie der folgenden Gleichung 1 genügt, wobei x den Versatz des Kolbens 20 bezeichnet, t die Zeit bezeichnet und F die Stromerzeugungslast bezeichnet (d. h. die Bremskraft, die durch die Stromerzeugung hervorgerufen ist). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Koeffizient c in Gleichung 1 als „Stromerzeugungslastkoeffizient” bezeichnet und wird als ein Index zum Einstellen der Stromerzeugungslast verwendet.
[Gleichung 1]

F = c· dx / dt Gleichung 1

Als Nächstes wird die Bewegung des Kolbens 20 diskutiert. Die Bewegung des Kolbens 20 kann durch Lösen einer Bewegungsgleichung, die als die folgende Gleichung 2 gezeigt ist, berechnet werden. In Gleichung 2 bezeichnet m die Masse des Kolbens 20, Pcomb bezeichnet den Druck im Inneren der Verbrennungskammer 26, Pair bezeichnet den Druck im Inneren der Luftkammer 28 und fric bezeichnet die Reibungskraft. [Gleichung 2]
5 ist ein Diagramm, das schematisch die Betriebszustände des Freikolbengenerators 10 zeigt, die durch Lösen wie oben beschrieben erhalten werden. Die horizontale Achse zeigt die Kraftstoffeinspritzmenge, was die Größe der Kraftstoffenergie angibt, die in den Freikolbengenerator 10 eingegeben wird. Ferner zeigt die vertikale Achse den oben erwähnten Stromerzeugungslastkoeffizienten c, welcher der Index ist, der die Größe der auf dem Freikolbengenerator 10 entnommenen Energie bestimmt.
In 5 bezeichnet das obere Gebiet über der Grenzlinie A einen Zustand, in dem die Stromerzeugungslast größer als die Bewegungsenergie des Kolbens ist, der durch die eingegebene Energie angetrieben ist, und stellt ein „Betriebsstopp”-Gebiet dar, in dem die Bewegung des Kolbens 20 nicht fortgesetzt werden kann. Das obere rechte Gebiet über der Grenzlinie B in 5 bezeichnet einen Zustand, in dem die Kolbenbewegungsenergie die Menge von Energie überschreitet, die durch den Freikolbengenerator 10 absorbiert werden kann, und stellt ein Gebiet dar, in dem der Freikolbengenerator 10 aufgrund einer Begrenzung der Stromerzeugungsmenge nicht betrieben werden kann. Entsprechend ist ein „Betriebsbereich” in dem der Freikolbengenerator 10 tatsächlich arbeiten kann, das Gebiet unter sowohl der Grenzlinie A als auch B (d. h. das schraffierte Gebiet in 5).
Verschiedene charakteristische Werte innerhalb dieses Betriebsbereichs, die durch Kombinieren der Verbrennungszyklussimulation und der Bewegungssimulation berechnet werden, sind in 6 und 7 gezeigt. 6A ist eine Konturkarte, die die angegebene thermische Effizienz zeigt. 6B ist eine Konturkarte, die die Stromerzeugungsmenge zeigt. 6C ist eine Konturkarte, die die Bewegungsfrequenz zeigt. 6D ist eine Konturkarte, die das Kompressionsverhältnis zeigt. Ferner sind 7A und 7B vergrößerte Ansichten von jeweils 6C und 6D.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Freikolbengenerator 10 angetrieben, wobei die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient im Grunde entlang der Referenzlinie L, die in 7A und 7B gezeigt ist, eingestellt werden. Die Referenzlinie L ist eine Linie, die im Wesentlichen mit der Grenzlinie zwischen Betriebsbereich und dem Betriebsstopp-Bereich zusammenfällt. Wenn es gewünscht ist, die Stromerzeugungsmenge zu erhöhen, werden die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der Referenzlinie L erhöht. Wenn es gewünscht ist, die Stromerzeugungsmenge zu verringern, werden die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der Referenzlinie L verringert. Mit anderen Worten, wenn es gewünscht ist, nur die Stromerzeugungsmenge zu verändern, werden Werte von sowohl dem Stromerzeugungslastkoeffizienten als auch der Kraftstoffeinspritzmenge verändert, während das Verhältnis zwischen dem Stromerzeugungslastkoeffizienten und der Kraftstoffeinspritzmenge gleich gehalten wird.
Wenn es dabei gewünscht ist, die Bewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis zu erhöhen, wird die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht und der Stromerzeugungslastkoeffizient wird verringert, so dass eine Einspritzmenge und ein Stromerzeugungslastkoeffizient erreicht werden, die von der Referenzlinie L abweichen. Mit anderen Worten werden die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis erhöht durch Erhöhen des Verhältnisses der Kraftstoffeinspritzmenge in Bezug auf den Stromerzeugungslastkoeffizienten. Die Gründe für diese Steuerung werden nachfolgend erklärt.
Natürlich muss der Freikolbengenerator 10 in der Lage sein, die Stromerzeugungsausgabe des Gesamtsystems (d. h. (Ausgabe der Motoreinheit) × (Stromerzeugungseffizienz der Erzeugungseinheit)) nach Bedarf zu verändern.
Dies berücksichtigend kann, Bezug nehmend auf die Konturkarte der angegebenen thermischen Effizienz, die in 6A gezeigt ist, verstanden werden, dass es zum Erreichen einer hohen Effizienz wünschenswert ist, die Kraftstoffeinspritzmenge und den Stromerzeugungslastkoeffizienten zu steuern, dass sie in dem Gebiet E1 oder E2 aus 6A bleiben. Aus diesem Grund werden die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient vorzugsweise entlang der Referenzlinie L eingestellt, die in 7A und 7B gezeigt ist. Ferner kann Bezug nehmend auf die Konturkarte der Stromerzeugungsmenge, die in 6B gezeigt ist, verstanden werden, dass die Stromerzeugungsmenge nach Bedarf erhöht und verringert werden kann, indem die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der Linie L eingestellt werden.
Ferner, in dem Maß, in dem es aus der Konturkarte der Bewegungsfrequenz und der Konturkarte des Kompressionsverhältnisses, die in 6C und 6D (7A und 7B) gezeigt sind, bestimmt werden kann, ist es zu verstehen, dass die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis sich kaum ändern, selbst wenn die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der Referenzlinie L eingestellt werden. Das heißt, so lange die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der Referenzlinie L eingestellt werden, kann die Stromerzeugungsmenge eingestellt werden, ohne dass die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis merklich geändert werden.
Dabei ist für einen Fall, in dem die Bewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis aufgrund des Auftretens eines Phasenversatzes zwischen den zwei Kolben 20, einer Fehlfeuerung oder ähnlichem verändert werden muss, zu verstehen, dass die Bewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis erhöht werden können, indem die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht wird, indem der Stromerzeugungslastkoeffizient verringert wird, oder indem beides gemacht wird.
Somit wird bei der vorliegenden Ausführungsform, während die Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslastkoeffizient entlang der vorspezifizierten Referenzlinie L eingestellt werden, eine Einstellung von zumindest einem aus der Kraftstoffeinspritzmenge und dem Stromerzeugungslastkoeffizient durchgeführt, wenn es erforderlich wird, die Bewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis zu ändern.
Während die Referenzlinie in der vorliegenden Ausführungsform konfiguriert ist, dass sie der Grenzlinie zwischen dem Betriebsbereich und dem Betriebsstopp-Bereich im Hinblick auf die Effizienz und den innerzylindrischen Druck entspricht, wird es durch alternatives Einsetzen einer Linie, die sich weiter innen in dem Betriebsbereich befindet, als die Referenzlinie, auch möglich, die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis in einer abnehmenden Richtung einzustellen. In jedem Fall kann basierend auf den oben erwähnten Simulationsergebnissen verstanden werden, dass die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis eingestellt werden können, indem der Stromerzeugungslastkoeffizient und die Kraftstoffeinspritzmenge eingestellt werden. Dabei wird in einem Funkenzündmotor die Motorausgabe verändert, indem die Zündtaktung verändert wird, während in einem Kompressionszündmotor die Motorausgabe verändert wird, indem die Kraftstoffeinspritztaktung und die Kraftstoffeinspritzrate verändert werden. Entsprechend hat das Ausführen von Änderungen bei diesen Parametern Wirkungen ähnlich zu denjenigen, die durch Verändern der Kraftstoffeinspritzmenge erreicht werden. Insbesondere erreicht eine Änderung der Zündtaktung zu einem Zeitpunkt, der näher an dem Zeitpunkt ist, der die höchste Effizienz erreicht (was im Allgemeinen eine Änderung zu einem früheren Zeitpunkt ist), eine Wirkung ähnlich zu der, die erreicht wird, wenn die Kraftstoffeinspritzmenge erhöht wird. In ähnlicher Weise entspricht eine Änderung der Kraftstoffeinspritzrate, die es ermöglicht, eine höhere thermische Effizienz zu erzielen (was im Allgemeinen eine Zunahme in der Kraftstoffeinspritzrate ist), einer Zunahme in der Kraftstoffeinspritzmenge. Im Hinblick auf das Verfahren des Einstellen der Kraftstoffeinspritzrate kann, zusätzlich zu dem Durchführen einer Durchschnittszunahmen- oder Durchschnittsabnahmeneinstellung, die Kraftstoffeinspritzrate auch durch Verändern der Form ihrer Kurve eingestellt werden (beispielsweise, indem nur die erste Hälfte verringert wird).
Als Nächstes wird das Verhältnis der Luftmenge im Inneren der Luftkammer 28 und der Menge des Lufteinlasses in die Verbrennungskammer 26 in Bezug auf die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis beschrieben. 8 ist eine Tabelle, die ein Verhältnis zwischen den Anfangsdrücken der Luftkammer 28 und der Verbrennungskammer 26 und der Bewegungsfrequenz zeigt, wobei das Verhältnis als Ergebnis einer Analyse durch numerische Simulation der Bewegung des Freikolbengenerators 10 erhalten wird.
Diese numerische Simulation beruht auf den gleichen Vorbedingungen wie denjenigen für die oben beschriebene Simulation und beinhaltet die Verwendung des analytischen Modells, das in 2 gezeigt ist, der Stromerzeugungseffizienz, die in 3 gezeigt ist, und den Berechnungsbedingungen, die in 4 gezeigt sind. Ferner ist bei dieser Simulation der Stromerzeugungslastkoeffizient ein konstanter Wert.
Dabei bezeichnet der Anfangsdruck der Luftkammer 28 den Minimaldruck im Inneren der Luftkammer 28, der erhalten wird, wenn der Kolben 20 am oberen Totpunkt ist und das Volumen der Luftkammer 28 maximal ist. Der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 bezeichnet den Minimaldruck im Inneren der Verbrennungskammer 26, der erzielt wird, wenn der Kolben 20 am unteren Totpunkt ist und das Volumen der Verbrennungskammer 26 maximal ist. Im Fall eines Viertaktmotors entspricht der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 im Wesentlichen einem Wert, der durch Subtrahieren einer Menge des Druckabfalls, der durch Strömungswiderstand an einem Lufteinlassventil während des Ansaugens hervorgerufen wird, von dem Druck im Inneren einer Luftansaugleitung erhalten wird. Im Fall eines Zweitaktmotors entspricht der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 im Wesentlichen einem Wert, der erhalten wird durch Subtrahieren einer Menge eines Druckabfalls, der durch einen Anlasswiderstand an der Spülentlüftung 36 hervorgerufen wird, von dem Spüldruck. Verändern der Anfangsdrücke der Luftkammer 28 und der Verbrennungskammer 26 entspricht dem Verändern der in diesen Kammern eingeschlossenen Gasmengen.
Wie es in der Tabelle aus 8 erkennbar ist, wird, wenn der Anfangsdruck der Luftkammer 28 erhöht wird (siehe Spalte B der Tabelle), die Bewegungsfrequenz im Vergleich zu einem Referenzzustand (siehe Spalte A der Tabelle) erhöht. Es wird in Betracht gezogen, dass dieses Phänomen durch die erhöhte Federkonstante der Luftkammer 28 hervorgerufen wird, die als der Federteil dient. Die vorliegende Ausführungsform verwendet diese Charakteristik und bewirkt, dass die Bewegungsfrequenz durch Einstellen des Anfangsdrucks der Luftkammer 28 eingestellt wird. Ferner wird durch Einstellen der Bewegungsfrequenz das Kompressionsverhältnis auf einen gewünschten Wert eingestellt. Der Anfangsdruck der Luftkammer 28 kann durch das Druckeinstellventil eingestellt werden, das in der Luftkammer 28 vorgesehen ist.
Als Nächstes wird das Verhältnis zwischen dem Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 und der Bewegungsfrequenz diskutiert. Wie in der Tabelle aus 8 zu sehen ist, verändert sich, wenn der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 erhöht ist (siehe Spalte C der Tabelle) die Bewegungsfrequenz aus dem Referenzzustand (siehe Spalte A der Tabelle). Anders als bei dem Anfangsdruck der Luftkammer 28 wird jedoch, wenn der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 erhöht ist, die Bewegungsfrequenz nicht unbedingt erhöht. Der Grund dafür wird nachfolgend beschrieben.
In der Verbrennungskammer 26 wird, wenn der Anfangsdruck erhöht ist, ihre Rückstellkraft der Luftfeder erhöht, wodurch eine Wirkung hervorgerufen wird, dass die Bewegungsfrequenz erhöht ist. Dabei führen in einem Fall des Verwenden eines vorgemischten Kompressionszündverbrennungsverfahrens, wie bei der vorliegenden Simulation, Änderungen in dem Äquivalenzverhältnis zu Änderungen in der Verbrennungstaktung und dem Wärmefreigaberatenmuster, die auch die Bewegungsfrequenz beeinflussen. Da solche Änderungen in dem Verbrennungszustand auftreten, wenn der Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 verändert ist, führt eine Zunahme in dem Anfangsdruck der Verbrennungskammer 26 nicht unbedingt zu einer Zunahme in der Bewegungsfrequenz.
Entsprechend kann im Fall des Einstellen des Anfangsdrucks der Verbrennungskammer 26 (oder der Menge des Lufteinlasses in die Verbrennungskammer 26) die Bewegungsfrequenz nicht erhöht und verringert werden, indem einfach dieser Druck erhöht und verringert wird. Wie es jedoch in 8 gezeigt ist, ist es klar, dass die Bewegungsfrequenz verändert wird, indem der Anfangsdruck der Verbrennungskammer verändert wird. Wenn die Bewegungsfrequenz unter Verwendung des Anfangsdrucks der Verbrennungskammer einzustellen ist, ist es daher wünschenswert, im Voraus Daten zu erhalten, die ein Korrelationsverhältnis zwischen dem Anfangsdruck der Verbrennungskammer und der Bewegungsfrequenz angeben, und/oder eine modellbasierte Steuerung durchzuführen. Durch Einstellen der Bewegungsfrequenz nach Bedarf wird auch das Kompressionsverhältnis auf einen gewünschten Wert eingestellt. Der Anfangsdruck der Verbrennungskammer kann eingestellt werden, indem der Druck der Lufteinlassleitung (im Fall eines Viertaktmotors) oder der Spülkammer (in dem Fall eines Zweitaktmotors) durch einen Turbolader, eine Spülpumpe oder ein Lufteinlassdrosselventil eingestellt wird.
Wie aus der oben stehenden Beschreibung zu verstehen ist, stellt die vorliegende Ausführungsform zumindest einen Parameter aus dem Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast (oder dem Stromerzeugungslastkoeffizienten), der Luftmenge (oder Anfangsdruck) im Inneren der Luftkammer 28 und der Menge des Lufteinlasses (oder Anfangsdruck) in der Verbrennungskammer 26 ein, so dass die Bewegungsfrequenz oder das Kompressionsverhältnis eingestellt werden. Auf diese Weise können selbst bei einem Freikolbengenerator 10, der keine mechanische Einschränkung hat, eine gewünschte Bewegungsfrequenz und ein gewünschtes Kompressionsverhältnis erhalten werden, und als Folge können eine Zunahme in der Effizienz und eine Verringerung bei den Vibrationen erhalten werden. Ferner ist es in Fällen, in denen ein Vorgemischkompressionszündverbrennungsverfahren verwendet wird, wenngleich der optimale Verbrennungszeitpunkt sich in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Kraftstoffs unterscheidet, möglich, das Kompressionsverhältnis und wiederum den Verbrennungszeitpunkt bei der vorliegenden Ausführungsform zu ändern, indem das Gleichgewicht zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und der Stromerzeugungslast verändert wird. Entsprechend kann die vorliegende Ausführungsform verschiedene Kraftstofftypen abdecken, ohne den Aufbau des Freikolbengenerators 10 zu verändern.
Wie oben erklärt wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Stromerzeugungslastkoeffizient, der ein Wert ist, der durch Dividieren der Stromerzeugungslast durch die Kolbengeschwindigkeit erhalten wird, als ein Index zum Einstellen der Stromerzeugungslast verwendet. Entsprechend ist es erforderlich, wenn die Steuerung des Freikolbengenerators 10 durchgeführt wird, um einen gewünschten Wert des Stromerzeugungslastkoeffizienten zu erhalten, die Stromerzeugungslast in Abhängigkeit von der Kolbengeschwindigkeit verändern. Beispielsweise können Änderungen der Stromerzeugungslast in Abhängigkeit von der Kolbengeschwindigkeit durch eine PWM-Steuerung unter Verwendung eines Wandlers durchgeführt werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Stromerzeugungslast verändert werden, indem eine Gleichrichtung unter Verwendung einer Diodenbrücke durchgeführt wird und nachfolgend die Spannungsanstiegsmenge unter Verwendung eines DC/DC-Wandlers eingestellt wird oder der Wert des Lastwiderstands eingestellt wird.
Ferner kann der Stromerzeugungslastkoeffizient zu anderen Zwecken als der Einstellung der Bewegungsfrequenz und des Kompressionsverhältnisses eingestellt werden. Beispielsweise kann zum Zweck des Reduzierens der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 20 in der Nähe des oberen Totpunkts, so dass die Zeitdauer verlängert wird, während derer der Kolben 20 in dem Bereich des oberen Totpunkts liegt, die Stromerzeugungslast eingestellt werden, so dass der integrierte Wert der Stromerzeugungslast während des Kompressionshubs größer als der integrierte Wert der Stromerzeugungslast während des Expansionshubs wird. Insbesondere kann die Steuerung so durchgeführt werden, dass der Stromerzeugungslastkoeffizient während des Kompressionshubs größer als der Stromerzeugungslastkoeffizient während des Expansionshubs wird. 9 ist ein Diagramm, das den Bewegungszustand des Kolbens 20 während einer solchen Steuerung zeigt. In 9 zeigt die dicke durchgezogene Linie die Bewegung des Kolbens 20 während des Expansionshubs, während die dicke gestrichelte Linie die Bewegung des Kolbens 20 während des Kompressionshubs zeigt. Wie dargestellt gelangt während des Expansionshubs, in dem der Kolben 20 sich von dem oberen Totpunkt (Punkt mit Geschwindigkeit Null) in Richtung der Luftkammer 28 bewegt und schließlich den unteren Totpunkt erreicht (Punkt mit Geschwindigkeit Null), der Kolben 20 nach und nach durch Punkt Null (Punkt mit Geschwindigkeit Null), Punkt A1 und Punkt Null. Nachfolgend, während des Kompressionshubs, in dem der Kolben 20 sich von dem unteren Totpunkt (Punkt mit Geschwindigkeit Null) in Richtung der Verbrennungskammer 26 bewegt und schließlich den oberen Totpunkt (Punkt mit Geschwindigkeit Null) erreicht, gelangt der Kolben 20 nach und nach durch Punkt Null, Punkt A2 und Punkt Null. In dem Kompressionshub ist der Stromerzeugungslastkoeffizient größer gemacht im Vergleich zum Expansionshub, so dass eine größere Bremskraft auf den Kolben 20 wirkt. Daher kann die Geschwindigkeit, in der der Kolben 20 sich dem oberen Totpunkt nähert, reduziert werden und als Folge kann die Zeitdauer, während derer der Kolben 20 in der Nähe des oberen Totpunkts liegt, länger gestaltet werden.
In einer anderen Ausführungsform kann der Aufbau so sein, dass die Stromerzeugungslast (oder der Stromerzeugungslastkoeffizient umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit gehalten wird) während des Kompressionshubs konstant gehalten wird, wie es in 10 gezeigt ist. Gemäß diesem Aufbau wird die Bewegung des Kolbens 20 in der Nähe des oberen Totpunkts unterdrückt, so dass das Maß von konstantem Volumen erhöht werden kann. Als Folge ist es möglich, eine erhöhte thermische Effizienz und ein Verkleinern des physikalischen Aufbaus des Freikolbengenerators 10 zu erzielen. Ferner kann gemäß dieser Konfiguration, ähnlich zur oben stehenden, eine Bremskraft, die auf den Kolben 20 während des Kompressionshubs wirkt, erhöht werden und als Folge kann die Zeitdauer, während derer der Kolben 20 in der Nähe des oberen Totpunkts verweilt, länger gemacht werden. In diesem und anderen Fällen, in denen der Stromerzeugungslastkoeffizient in Abhängigkeit von dem Hub und ähnlichem zu verändern ist, kann, wenn es gewünscht ist, Änderungen in der Bewegungsfrequenz und dem Kompressionsverhältnis zu vermeiden, die Kraftstoffeinspritzmenge in Abhängigkeit von Änderungen in dem Stromerzeugungslastkoeffizienten gesteuert werden, so dass das Verhältnis zwischen der Kraftstoffeinspritzmenge und dem Stromerzeugungslastkoeffizienten entlang der Referenzlinie L in 7 eingestellt wird.
In dem Gebiet, in dem die Kolbengeschwindigkeit niedrig ist, kann die Stromerzeugungslast auf Null gesetzt werden, um eine Stromerzeugung zu stoppen. Wie es in der Stromerzeugungseffizienzlinie in Karte von 3 und ähnlichem zu erkennen ist, ist die Stromerzeugungseffizienz niedrig, wenn die Kolbengeschwindigkeit niedrig ist. Entsprechend kann es wünschenswert sein, eine Stromerzeugung zu stoppen, wenn die Kolbengeschwindigkeit gleich einem speziellen Schwellenwert oder niedriger ist. Durch eine Steuerung auf diese Weise kann die Systemeffizienz verbessert werden.
Während sich die oben beschriebene Ausführungsform als ein Beispiel auf einen Freikolbengenerator 10 bezieht, wie es in 1 gezeigt ist, bei dem zwei Erzeugungseinrichtungen 12 koaxial in Symmetrie zueinander angeordnet sind, wobei sich die Luftkammern 28 in Richtung des Zentrums befinden, kann die vorliegende Erfindung auf jeglichen Freikolbengenerator angewendet werden und ihre Struktur kann nach Bedarf entsprechend geändert werden.
Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung bei einem Freikolbengenerator eingesetzt werden, wie er in 11 gezeigt ist, bei dem zwei Erzeugungseinrichtungen 12 symmetrisch zueinander angeordnet sind, wobei sich die Verbrennungskammer 26 in Richtung des Zentrums befindet, statt der Luftkammern 28. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sich die zwei Erzeugungseinrichtungen 12 einen Teil des Ventilmechanismus für den Gasaustausch teilen können. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die vorliegende Erfindung bei einem Freikolbengenerator 10 eingesetzt werden, der mit einer einzigen Erzeugungseinrichtung 12 aufgebaut ist. Insbesondere, wie es in 12 gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung auf einen Fall angewendet werden, in dem nur eine einzige Erzeugungseinrichtung 12 statt zwei symmetrisch angeordneter Erzeugungseinrichtungen 12 verwendet wird. In einem solchen Fall ist nur ein Kolben 20 vorgesehen, und selbstverständlich gibt es keine Notwendigkeit, die Phasen der zwei Kolben 20 in Übereinstimmung zu bringen. Selbst in einem solchen Fall jedoch, da es erforderlich ist, das Kompressionsverhältnis und die Kompressionstaktung einzustellen, ist die vorliegende Erfindung ausreichend effektiv. Ferner, während sich die oben beschriebene Ausführungsform als ein Beispiel auf eine Konfiguration bezieht, bei der die druckaufnehmende Fläche der Luftkammer 28 größer als die druckaufnehmende Fläche der Verbrennungskammer 26 ist, kann offensichtlich die vorliegende Erfindung auch bei einem Freikolbengenerator 10 angewendet werden, der gleiche druckaufnehmende Flächen in den zwei Kammern hat, wie es in 12 gezeigt ist. Ferner, während sich die oben beschriebene Ausführungsform als ein Beispiel auf einen Aufbau bezieht, bei dem die Luftfeder, die mit der Luftkammer 28 ausgebildet ist, als der Federteil zum Zurückdrücken des Kolbens 20 verwendet wird, kann die vorliegende Erfindung alternativ bei einem Freikolbengenerator 10 in die Praxis umgesetzt werden, der eine mechanische Feder statt der Luftkammer 28 verwendet (Luftfeder). In diesem Fall können die Bewegungsfrequenz und das Kompressionsverhältnis eingestellt werden, indem zumindest eines aus dem Gleichgewicht zwischen der Stromerzeugungslast und der Kraftstoffeinspritzmenge und der Menge des Lufteinlasses in die Verbrennungskammer 26 eingestellt wird.
BEZUGSZEICHENLISTE

10 Freikolbengenerator; 12 Erzeugungseinrichtung; 14 Erzeugungseinheit; 16 Motoreinheit; 18 Zylinder; 20 Kolben; 22 Erzeugungsspule; 24 Permanentmagnet; 26 Verbrennungskammer; 28 Luftkammer; 30 Kraftstoffeinspritzventil; 32 Zündkerze; 34 Ablassventil; 36 Spülentlüftung; 38 Druckeinstellventil; 40 Kolbenpositionserfassungsmittel; 50 Steuereinheit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008-223628 A [0003]
JP 58-139532 U [0003]
JP 2006-170071 A [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Itsuro KIMURA und Tadayoshi SAKAI, „College-Vorlesung: Verbrennungsmotor”, Maruzen Co., Ltd., Seite 269 [0004]
Fujio NAGAO, „Auslegung und Diskussion von Freikolbengasgeneratoren”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, April 1956 [0004]

Claims

Ein Freikolbengenerator zum Erzeugen von Elektrizität in Abhängigkeit von einer linearen Hin- und Herbewegung eines Kolbens, enthaltend: eine Motoreinheit, die einen Kolben enthält mit einer Verbrennungskammer und einem Federteil, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens angeordnet sind, wobei der Kolben dazu gebracht wird, in der Motoreinheit sich mittels eines Verbrennungsdrucks hin- und herzubewegen, der bei einer Verbrennung eines Kraftstoffs im Inneren der Verbrennungskammer erzielt wird, und durch eine Rückstellkraft des Federteils, der durch den Kolben komprimiert ist; eine Stromerzeugungseinheit, die Elektrizität in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt; und ein Steuermittel, das einen Antrieb der Motoreinheit und der Stromerzeugungseinheit steuert; wobei das Steuermittel eine Kolbenbewegungsfrequenz oder ein Kompressionsverhältnis während der Verbrennung einstellt durch Einstellen von zumindest einem aus: einem Gleichgewicht zwischen einer Menge des Kraftstoffeinspritzens in die Verbrennungskammer und einer Stromerzeugungslast; einer Rückstoßkraft des Federteils; einer Menge des Lufteinlasses in die Verbrennungskammer; einer Funkenzündtaktung; einer Kraftstoffeinspritztaktung; und einer Kraftstoffeinspritzrate.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei die Motoreinheit zwei Motoreinheiten enthält, die koaxial symmetrisch zueinander angeordnet sind, und das Steuermittel die Kolbenbewegungsfrequenz so einstellt, dass bewirkt wird, dass Antriebsphasen der zwei Motoreinheiten miteinander übereinstimmen.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei die Verbrennung im Inneren der Verbrennungskammer durch ein Vorgemischkompressionszündverbrennungsverfahren durchgeführt wird, bei dem ein gemischtes Gas, das durch Mischen von einem Kraftstoff und Luft erhalten wird, komprimiert und auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, um eine Zündverbrennung hervorzurufen, und das Steuermittel das Kompressionsverhältnis während der Verbrennung so einstellt, dass ein Zeitpunkt der Verbrennung des Kraftstoffs mit einem vorspezifizierten Zeitpunkt übereinstimmt.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei die Verbrennung im Inneren der Verbrennungskammer durch ein Verfahren durchgeführt wird, bei dem ein gemischtes Gas aus Kraftstoff und Luft gezündet wird, wobei ein Funken verwendet wird, und das Steuermittel das Kompressionsverhältnis verringert, wenn Klopfen erfasst wird.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei der Federteil eine Luftkammer enthält, die auf einer Seite des Kolbens gegenüber zur Verbrennungskammer angeordnet ist, wobei die Luftkammer ein Volumen hat, das sich in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Kolbens verändert, wobei die Luftkammer gestaltet ist, dass sie den Kolben in Richtung der Verbrennungskammer durch eine Rückstoßkraft eines Gases im Inneren der Luftkammer, wenn es komprimiert ist, bewegt, und das Steuermittel eine Menge von Luft im Inneren der Luftkammer einstellt, um dadurch die Rückstoßkraft des Federteils einzustellen.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei ein Einstellen der Stromerzeugungslast des Steuermittels als einen Einstellindex einen Stromerzeugungslastkoeffizienten verwendet, der ein Wert ist, der durch Dividieren der Stromerzeugungslast durch eine Kolbengeschwindigkeit erhalten wird.
Freikolbengenerator nach Anspruch 6, wobei das Steuermittel eine Menge der Stromerzeugung einstellt durch Einstellen von Werten des Stromerzeugungslastkoeffizienten und der Kraftstoffeinspritzmenge, während ein Verhältnis zwischen dem Stromerzeugungslastkoeffizienten und der Kraftstoffeinspritzmenge auf einem im Wesentlichen konstanten Verhältnis gehalten wird.
Freikolbengenerator nach Anspruch 6, wobei das Steuermittel Werte der Bewegungsfrequenz und des Kompressionsverhältnisses erhöht, indem ein Verhältnis der Kraftstoffeinspritzmenge in Bezug auf den Stromerzeugungslastkoeffizienten erhöht wird.
Freikolbengenerator nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Stromerzeugungslast so einstellt, dass ein integrierter Wert der Stromerzeugungslast während eines Kompressionshubs größer als ein integrierter Wert der Stromerzeugungslast während eines Expansionshubs wird.