DE19813992A1 - Free piston combustion engine with electrical energy delivery e.g. for hybrid automobile, heating plant or mobile current generator - Google Patents

Free piston combustion engine with electrical energy delivery e.g. for hybrid automobile, heating plant or mobile current generator

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Abstract

The engine has a non-metallic permanent magnet piston (1), linearly oscillated within an engine cylinder (9) via the combustion pressure and cooperating inductive coils (12), positioned around the cylinder, providing a voltage output. Piston position sensors (9), e.g. Hall elements, controlling electromagnetic, electro-hydraulic, or electro-pneumatic engine valves.

Description

Stand der TechnikState of the art

Bekannt ist aus den Patentklassen F 01 B - 11/00; F 02 B - 71/00, daß Freikolbenmotoren üblicherweise mit mechanischer Energieauskoppelung durch Zahnstangen, Hebelmechanismen etc. konstruiert werden.It is known from the patent classes F 01 B - 11/00; F 02 B - 71/00 that free piston engines usually with mechanical energy extraction through racks, Lever mechanisms etc. can be constructed.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß diese Maschinen
The disadvantage of this solution is that these machines

  • - umfangreiche Abdichtmaßnahmen benötigen,- require extensive sealing measures,
  • - sehr viele bewegliche und zu schmierende Teile enthalten und- contain a lot of moving and lubricated parts and
  • - Reibungsverluste an den Kraftübertragungseinrichtungen entstehen.- Frictional losses occur at the power transmission devices.

Eine weitere Ausführungsvariante ist in DE-OS 30 29 287 (Patentklasse F 02 B - 71/00) beschrieben.Another variant is in DE-OS 30 29 287 (patent class F 02 B - 71/00) described.

Die Probleme dieser Lösung sind insbesondere in folgenden Punkten zu sehen:
The problems of this solution can be seen in the following points in particular:

  • - Abdichtungsprobleme an den offenen Enden der Zylinder,- sealing problems at the open ends of the cylinders,
  • - schlechtes Abgasverhalten auf Grund von unverbranntem Öl im Abgas, bedingt durch die angewandte Gemischschmierung,- poor exhaust behavior due to unburned oil in the exhaust caused by the applied mixture lubrication,
  • - Spülverluste durch Arbeitsprinzip nach dem Zweitaktverfahren in Verbindung mit äußerer Gemischbildung.- Flushing losses due to the working principle according to the two-stroke process in connection with external mixture formation.

Außerdem sind Maschinen bekannt, welche die Energieauskoppelung aus dem System auf elektrischem (induktivem) Wege vornehmen (vgl. Patentklasse H 02 K 7/18 insbesondere DE-OS 44 13 351 A1).In addition, machines are known which extract the energy from the system make electrical (inductive) way (cf. patent class H 02 K 7/18 in particular DE-OS 44 13 351 A1).

Diese stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Maschinen mit mechanischer Energieauskoppelung dar. Die in DE-OS 44 13 351 A1 beschriebene Lösung ist mit folgenden Problemen behaftet:
These represent a significant improvement over the machines with mechanical energy extraction. The solution described in DE-OS 44 13 351 A1 has the following problems:

  • - bewegliches Kabel zur Stromzuführung zur Feldspule (dort mit 1.2.1.1 bezeichnet) erforderlich, - Movable cable for power supply to the field coil (designated 1.2.1.1 there) required,  
  • - Schmierung und Kühlung unzureichend gelöst,- insufficient lubrication and cooling,
  • - Abdichtungsprobleme zwischen rechter und linker Motor-Generator-Einheit,- sealing problems between the right and left motor-generator unit,
  • - Vielteiligkeit.- Versatility.
Aufgabetask

Diese Erfindung hat das Ziel, den Gesamtwirkungsgrad von Brennkraftmaschinen zu verbessern, die Anzahl beweglicher Teile (Kurbeltrieb etc.) und die Reibungsverluste zu minimieren sowie Abdichtungen einzusparen. Weiterhin soll eine Verringerung des Verschleißes und damit des Wartungsaufwandes erreicht werden.This invention aims to improve the overall efficiency of internal combustion engines improve the number of moving parts (crank mechanism etc.) and the friction losses minimize and save seals. Furthermore, a reduction in Wear and thus the maintenance effort can be achieved.

Lösungsolution

Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein frei in einem geschlossenem Zylinder angeordneter permanentmagnetischer Kolben durch den Verbrennungsdruck periodisch hin- und herbewegt wird und dadurch in der Spule eine Spannung induziert, die einen Stromfluß bewirkt. Dieser stellt die Nutzenergie der beschriebenen Maschine dar.According to the invention, these problems are solved in that a freely in one Permanent magnet piston arranged in a closed cylinder through the Combustion pressure is periodically moved back and forth and thereby one in the coil Voltage induced, which causes current to flow. This represents the useful energy of the machine described.

Beschreibung: AusführungsbeispielDescription: Exemplary embodiment

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of a schematic drawing.

Die Freikolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Zylinder (9) mit Spülschlitzen (Einlaßschlitze 7, Auslaßschlitze 8), in dem sich ein frei beweglicher Kolben (Permanentmagnet 1, Kolbenkörper 2) mit Mulde (3) befindet. Um den Zylinder herum ist eine Spule bzw. ein Spulensystem (12) angeordnet. Der Zylinder wird an beiden Enden durch Zylinderköpfe (5) mit Einspritz- und Zündvorrichtung (6) abgeschlossen. Der Schmierkanal (4) wird durch eine Verjüngung im mittleren Bereich des Kolbens gebildet. Der Schmiermittelzulauf (10) ist in der Zylinderwand angeordnet. Desweiteren sind in der Zylinderwand Sensoren (13) angeordnet. Mit den Einlaßschlitzen in Verbindung steht die Einblasvorrichtung (11). Die Maschine enthält außerdem eine elektronische Steuerung, die mit der Spule/dem Spulensystem, der Einspritz-, der Zünd- und der Einblasvorrichtung sowie den Sensoren in Verbindung steht.The free-piston internal combustion engine essentially consists of a cylinder ( 9 ) with flushing slots (inlet slots 7 , outlet slots 8 ) in which there is a freely movable piston (permanent magnet 1 , piston body 2 ) with a depression ( 3 ). A coil or a coil system ( 12 ) is arranged around the cylinder. The cylinder is closed at both ends by cylinder heads ( 5 ) with injection and ignition device ( 6 ). The lubrication channel ( 4 ) is formed by a taper in the central area of the piston. The lubricant inlet ( 10 ) is arranged in the cylinder wall. Furthermore, sensors ( 13 ) are arranged in the cylinder wall. The blowing device ( 11 ) communicates with the inlet slots. The machine also includes an electronic controller that is connected to the coil / coil system, the injector, the igniter and the injector, and the sensors.

Für die Funktionsfähigkeit der Erfindung ist die Materialbeschaffenheit einiger Teile von Bedeutung. Insbesondere sind dies der Kolben, der in seinem Inneren einen Permanentmagneten enthält, der Zylinder, der aus einem den magnetischen Fluß nicht behindernden Material besteht.For the functionality of the invention, the material properties of some parts of Meaning. In particular, these are the pistons that have a inside  Contains permanent magnets, the cylinder that does not have a magnetic flux disabling material.

Weiterhin müssen die Formen von Kolbenboden und innerer Zylinderkopfbegrenzung so aufeinander abgestimmt sein, daß das Volumen bei der Verdichtung gegen Null konvergiert, unrein Kollidieren des Kolbens mit dem Zylinderkopf auszuschließen. Es kann eine genügend kleine Aussparung für die Zündelektroden im Kolbenboden eingelassen sein, die unter normalen Betriebsbedingungen keine Kollision ermöglicht.Furthermore, the shapes of the piston crown and inner cylinder head limit must be like this be coordinated so that the volume converges towards zero when compressed, to prevent the piston from colliding with the cylinder head. It can be one enough small recess for the ignition electrodes in the piston crown, the no collision possible under normal operating conditions.

Die Arbeitsweise der Freikolbenbrennkraftmaschine (im Fall innere Gemischbildung, Spulensystem) ist folgende:The mode of operation of the free-piston internal combustion engine (in the case of internal mixture formation, Coil system) is as follows:

StartphaseStart phase

Der Kolben befindet sich in einer beliebigen Position. Um die Maschine zu starten, wird mit der Einblasvorrichtung Luft in den Zylinder gefördert. Danach wird im Spulensystem ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Kolben ausübt und ihn so in Bewegung in Richtung des momentan weiter entfernten Zylinderkopfes (in diesem Beispiel sei dies der Zylinderkopf in Teilsystem A) versetzt. Durch diese Bewegung wird die Luft im Zylinder zwischen diesem Zylinderkopf und dem Kolben verdichtet. Wenn die Spülschlitze durch den Kolben verschlossen sind und eine ausreichende Verdichtung erreicht ist, wird durch die Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinderinnenraum des Teilsystems A eingespritzt. Danach erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Zündvorrichtung. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt einen Druckanstieg im Zylinderinnenraum des Teilsystems A. Durch diesen Druck wird der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes von Teilsystem B bewegt. Bei erfolgreicher Verbrennung schließt sich ab diesem Zeitpunkt der Normalbetrieb an, anderenfalls muß der Startvorgang wiederholt werden.The piston is in any position. To start the machine, use the blowing device conveyed air into the cylinder. After that is in the coil system creates a magnetic traveling field that exerts a force on the piston and thus in it Movement in the direction of the cylinder head currently further away (in this example be it the cylinder head in subsystem A). Through this movement the air in the Cylinder compressed between this cylinder head and the piston. If the flushing slots are closed by the piston and sufficient compression is achieved through the injector fuel into the cylinder interior of subsystem A injected. The fuel-air mixture is then ignited by the Igniter. The combustion of the fuel-air mixture causes one Pressure increase in the cylinder interior of subsystem A. This pressure causes the Piston moved in the direction of the cylinder head of subsystem B. If successful Combustion follows normal operation from this point in time, otherwise the Starting process can be repeated.

NormalbetriebNormal operation

Während in Teilsystem A die Verbrennung abläuft, wird Frischluft in Teilsystem B gefördert. Nach Öffnen der Spülschlitze in Teilsystem A strömt das verbrannte Kraftstoff- Luft-Gemisch durch den Auslaßschlitz in die Abgasanlage. Gleichzeitig wird durch die Einblasvorrichtung frische Luft in den Zylinderinnenraum der Teilsystems A gefördert. Durch die Trägheit des Kolbens setzt sich seine Bewegung fort, wodurch die Luft in Teilsystem B verdichtet wird. Wenn die Spülschlitze durch den Kolben verschlossen sind und eine ausreichende Verdichtung erreicht ist, wird durch die Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinderinnenraum des Teilsystems B eingespritzt. Danach erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Zündvorrichtung. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt einen Druckanstieg im Zylinderinnenraum des Teilsystems B. Durch diesen Druck wird der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes von Teilsystem A bewegt. Während in Teilsystem B die Verbrennung abläuft, wird Frischluft in Teilsystem A gefördert. Nach Öffnen der Spülschlitze in Teilsystem B strömt das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Auslaßschlitz in die Abgasanlage. Durch die Trägheit des Kolbens setzt sich seine Bewegung fort, wodurch wiederum die Luft in Teilsystem A verdichtet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.While combustion takes place in subsystem A, fresh air in subsystem B promoted. After opening the flushing slots in subsystem A, the burned fuel Air mixture through the outlet slot into the exhaust system. At the same time, the Blower fresh air into the cylinder interior of subsystem A promoted. Due to the inertia of the piston, its movement continues, causing the air in  Subsystem B is compressed. When the flushing slots are closed by the piston and sufficient compression is achieved by the injector Fuel injected into the cylinder interior of subsystem B. Then the Ignition of the fuel-air mixture by the ignition device. The combustion of the The fuel-air mixture causes an increase in pressure in the interior of the cylinder Subsystem B. This pressure pushes the piston towards the cylinder head from Subsystem A moves. While combustion takes place in subsystem B, fresh air is in Subsystem A funded. After opening the flushing slots in subsystem B, the burned stream flows Fuel-air mixture through the outlet slot into the exhaust system. Because of the sluggishness the piston continues to move, which in turn causes the air in subsystem A is compressed. This process is repeated periodically.

Die Zeitpunkte für Zündung und Einspritzung, sowie die geförderte Luftmenge werden durch die elektronische Steuerung bestimmt.The times for ignition and injection, as well as the amount of air delivered determined by the electronic control.

Durch die fortlaufende periodische Kolbenbewegung wird eine Wechselspannung in der Spule/dem Spulensystem induziert, die einen Stromfluß bewirkt. Dieser stellt die Nutzenergie der beschriebenen Maschine dar.The continuous periodic piston movement causes an alternating voltage in the Coil / the coil system induced, which causes a current flow. This represents the Useful energy of the machine described.

Erreichte VorteileAchieved advantages

Die Vorteile der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen gleicher Leistung bestehen in:
The advantages of the invention compared to conventional internal combustion engines of the same power consist in:

  • - Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades,- improvement in overall efficiency,
  • - Verringerung der Abgasemission,- reduction of exhaust emissions,
  • - Verringerung der Baugröße und damit Reduktion der Masse,- reduction in size and thus reduction in mass,
  • - weite Skalierbarkeit der Baugröße,- wide scalability of the size,
  • - Einsparung von Abdichtelementen,- saving of sealing elements,
  • - Freiheit bei der räumlichen Anordnung im speziellen Anwendungsfall (keine mechanische Kraftübertragung),- Freedom of spatial arrangement in a special application (no mechanical Power transmission),
  • - Vereinfachung der Lagerhaltung, da nur wenige Verschleißteile enthalten sind,- simplification of warehousing, since only a few wear parts are contained,
  • - Möglichkeit des Betriebes mit verschiedenen Kraftstoffen, bedingt durch die Möglichkeit eines variablen Verdichtungsverhältnisses.- Possibility of operating with different fuels, due to the possibility a variable compression ratio.
Anwendungsgebieteapplication areas

Die beschriebene Erfindung kann beispielsweise als Hybrid-Antrieb von Fahrzeugen, in Blockheizkraftwerken und in mobilen Stromerzeugern Verwendung finden. The described invention can be used, for example, as a hybrid drive for vehicles in Cogeneration plants and in mobile power generators are used.  

BezugszeichenlisteReference list

00

Steuergerät
Control unit

11

Kolben
piston

22nd

Kolbenbeschichtung
Piston coating

33rd

Kolbenmulde
Piston bowl

44th

Kolbenverjüngung
Piston taper

55

Zylinderkopf
Cylinder head

66

kombinierte Einspritz- und Zündvorrichtung
combined injection and ignition device

6.16.1

Zündvorrichtung
Igniter

6.26.2

Einspritzvorrichtung
Injector

77

Einlaßkanal
Inlet duct

88th

Auslaßkanal
Exhaust duct

99

Zylinder
cylinder

1010th

Schmiermittelzufluß
Lubricant inflow

1111

Einblasvorrichtung
Blowing device

1212th

Spulen/Spulensystem
Coils / coil system

1313

Sensoren
Sensors

1414

Eisenblech (Elektroblech)
Iron sheet (electrical sheet)

1515

Isolierschicht Insulating layer

11

(Zylinderinnenwand)
(Inner cylinder wall)

1616

Isolierschicht (zwischen den Eisenblechen)
Insulating layer (between the iron sheets)

1717th

Eisenblechtrennung (Trennung wahlweise versetzt und durch Iron sheet separation (separation optionally offset and by

1616

isoliert)
isolated)

1818th

Einspritzventil
Injector

1919th

Rückschlagventil
check valve

2020th

Einlaßventil
Inlet valve

2121

Auslaßventil
Exhaust valve

2222

Ventilbetätigung (elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder elektropneumatisch)
Valve actuation (electromagnetic, electro-hydraulic or electro-pneumatic)

2323

Kraftstoffpumpe
Fuel pump

2424th

Zündspule
ignition coil

Claims (11)

1. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird, und die Energieauskoppelung aus dem System auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum angeordnete Spulen erfolgt,
daß der Spülvorgang über Spülschlitze erfolgt, und die Maschine nach dem Zweitaktprinzip mit Umkehr-, Kreuz- oder Querstromspülung arbeitet,
daß der Kraftstoff über ein Einspritzventil oder eine Kombination Einspritzventil/Zündkerze in den Brennraum eingebracht wird,
daß die Schmierung der beweglichen Teile durch eine (oder mehrere) Schmiermittel­ zuführungsöffnung im Zylinder und Schmiernut(en) im Kolben erfolgt,
daß in den Spülkanälen Positionssensoren (optisch, induktiv oder auf Hall-Effekt basierend) eingebaut sind, welche der Steuerung die momentane Position des Kolbens mitteilen (vgl. Abb. 1).
1. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction, characterized in that
that a non-metallic, permanently magnetic piston in a cylinder is caused to oscillate linearly by combustion pressure, and the energy is extracted from the system inductively by coils arranged around the cylinder,
that the rinsing process takes place via rinsing slots, and the machine works according to the two-stroke principle with reverse, cross or cross-flow rinsing,
that the fuel is introduced into the combustion chamber via an injection valve or a combination injection valve / spark plug,
that the moving parts are lubricated through one (or more) lubricant supply opening in the cylinder and lubrication groove (s) in the piston,
that position sensors (optical, inductive or based on Hall effect) are installed in the flushing channels, which tell the control system the current position of the piston (see Fig. 1).
2. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr der oben beschriebenen Systeme parallel (sowohl neben- als auch hintereinander) und fest miteinander verbunden angeordnet sind, und die Schwingbewegung mit 180 Grad Phasenversatz ausführen, um das Gesamtsystem möglichst schwingungsfrei zu halten (vgl. Abb. 2).2. Free-piston internal combustion engine with electrical energy decoupling according to claim 1, characterized in that two or more of the systems described above are arranged in parallel (both side by side as well as one behind the other) and firmly connected to one another, and execute the oscillating movement with a phase offset of 180 degrees in order to achieve this Keep the entire system as vibration-free as possible (see Fig. 2). 3. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülvorgang über elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder elektropneumatisch gesteuerte Ventile erfolgt (vgl. Abb. 3).3. Free-piston internal combustion engine with electrical energy decoupling according to claim 1, characterized in that the purging process takes place via electromagnetically, electro-hydraulically or electro-pneumatically controlled valves (see Fig. 3). 4. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder der Maschine aus geschichteten, elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Elektroblech) mit einer Isolierschicht an der Zylinderinnenwand besteht, um den magnetischen Fluß und damit den Wirkungsgrad zu verbessern (vgl. Abb. 4). 4. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized in that the cylinder of the machine consists of layered, electrically insulated iron sheets (electrical sheet) with an insulating layer on the cylinder inner wall to improve the magnetic flux and thus the efficiency (see Fig. 4). 5. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung auf indirektem Wege (vor dem Einströmschlitz) erfolgt (vgl. Abb. 5).5. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized in that the fuel injection takes place indirectly (before the inflow slot) (see. Fig. 5). 6. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einlaßschlitz ein Rückschlagventil angeordnet ist, das das Ausströmen des Abgases durch den Einlaßschlitz verhindert (vgl. Abb. 6).6. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized in that a check valve is arranged in front of the inlet slot, which prevents the exhaust gas from flowing out through the inlet slot (see Fig. 6). 7. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenpartikel in der Zylinderwand angeordnet sind und damit eine Verbesserung des magnetischen Flusses erreicht wird.7. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 3, characterized, that iron particles are arranged in the cylinder wall and thus an improvement in magnetic flux is reached. 8. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderinnenwand und die Kolbenoberfläche mit einer Gleitbeschichtung (z. B. aus Keramik) versehen ist, um die Reibung zwischen diesen Teilen zu minimieren und nach Möglichkeit auf eine Schmierung der Maschine zu verzichten. Dabei können Schmierkanal und Schmiermittelzulauf entfallen.8. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized, that the cylinder inner wall and the piston surface with a sliding coating (e.g. ceramic) is provided to minimize the friction between these parts and avoid lubrication of the machine if possible. You can Lubrication channel and lubricant supply are not required. 9. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei entsprechend hoher Verdichtung Selbstzündung des Kraftstoffes erfolgt (wahlweise Entfall der Zündvorrichtung).9. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized, that self-ignition of the fuel takes place with a correspondingly high compression (optional elimination of the ignition device). 10. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung der Kolbenposition durch Messung und Auswertung der Ströme/Spannungen im Spulensystem statt durch die Sensoren erfolgt.10. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized, that the detection of the piston position by measuring and evaluating the Currents / voltages in the coil system instead of through the sensors. 11. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine nach dem Viertaktprinzip arbeitet. Die hierzu erforderlichen Ventile werden hydraulisch bzw. elektromagnetisch betätigt. Die Kolbenbewegung wird während des Ansaug- und Verdichtungstaktes jeweils durch Stromfluß in den Spulen unterstützt (vgl. Abb. 3).11. Free-piston internal combustion engine with electrical energy extraction according to claim 1, characterized in that the machine works according to the four-stroke principle. The valves required for this are operated hydraulically or electromagnetically. The piston movement is supported during the intake and compression cycle by current flow in the coils (see Fig. 3).
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