DE4315046A1 - Freikolbenmotor und Verfahren zur Umwandlung von in Kraftstoff gespeicherter Energie in elektrische Energie bei einem Freikolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit wenigstens einem Wandler, mit wenigstens einem Zylinder, mit einem im Zylinder bewegbaren Kolben und mit einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange, wobei der Wandler mit einem Anker und mit einem Stator versehen und die Kolbenstange mit dem Anker verbunden ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwand­ lung von in Kraftstoff gespeicherter Energie in elektrische Energie bei ei­ nem Freikolbenmotor, wobei ein Kraftstoff-Luftgemisch in einem Zylinder des Freikolbenmotors verbrannt, die dabei frei werdende Energie zumindest zum Teil in kinetische Energie umgewandelt und auf einen Kolben des Freikolben­ motors übertragen wird, und anschließend beim Arbeitshub des Kolbens zumin­ dest ein Teil der kinetischen Energie über einen Wandler des Freikolbenmo­ tors in elektrische Energie umgewandelt wird.

Kolbenmotoren können grundsätzlich in solche Motoren mit und ohne Kurbel­ welle unterschieden werden. Kolbenmotoren ohne Kurbelwelle werden in der Regel als Freikolbenmotoren bezeichnet. Die Vorteile von Freikolbenmoto­ ren gegenüber Kolbenmotoren mit Kurbelwelle sind allgemein bekannt. Frei­ kolbenmotoren haben im allgemeinen keine rotierenden Teile und dadurch ge­ ringere bewegte Massen und ein geringeres Gewicht. Des weiteren ist bei Freikolbenmotoren grundsätzlich ein größerer Hub des Kolbens innerhalb des Zylinders möglich, was zur Folge hat, daß im wesentlichen der gesamte in der Brennkammer des Zylinders vorhandene Brennstoff verbrennen kann, so daß Freikolbenmotoren gegenüber Kolbenmotoren mit Kurbelwelle einen bes­ seren thermodynamischen Wirkungsgrad haben. Schließlich sind die Kosten für die Herstellung und den Betrieb eines Freikolbenmotors in der Regel gerin­ ger als die entsprechenden Kosten eines vergleichbaren Kolbenmotors mit Kurbelwelle. Die genannten Vorteile von Freikolbenmotoren gegenüber den Kolbenmotoren mit Kurbelwelle bringen aber auch zum Teil schwerwiegende Nachteile mit sich. Da keine rotierende Bewegung zum Antrieb der Freikol­ benmotoren stattfindet, ergibt sich auch kein Massenausgleich durch eine mechanische Verbindung einer Pleuelstange zu einer Kurbelwelle. Folglich findet auch keine mechanische Energiespeicherung in der Kurbelwelle während des Arbeitstaktes statt, so daß sich auch kein ausgleichendes Schwungmoment ergibt. Daher sind Freikolbenmotoren relativ empfindlich gegen Unregelmäßig­ keiten bei der Verbrennung.

Um das Problem des Massenausgleichs bzw. des fehlenden ausgleichenden Schwung­ momentes zu lösen, ist bereits vorgeschlagen worden, zwei Freikolben mit gegen­ sätzlicher Bewegung, aber synchronem Betriebszyklus arbeiten zu lassen. Hier­ bei erreichen die Kolben ihren oberen und unteren Totpunkt gleichzeitig, wobei auch der Verbrennungstakt gleichzeitig stattfindet. Die in der DE 27 13 548 A1 beschriebene Verbrennungsmaschine basiert auf dieser Idee. Bei dieser bekann­ ten Verbrennungsmaschine soll der notwendige synchrone Betrieb durch eine ge­ meinsame Brennkammer und eine zusätzliche elektro-pneumatische Kopplung und Steuerung aufrechterhalten werden. Die Energiespeicherung erfolgt pneumatisch durch einen Kompressionskolben, der zusätzlich als Verdichter benutzt werden kann.

In der DT 26 00 054 A1 wird zur Lösung des Problems des Synchronismus zweier Kolben vorgeschlagen, die beiden gegenläufigen Kolben mit einem Kurbeltrieb mechanisch zu koppeln, wobei der Kurbeltrieb gering dimensioniert werden kann, da er den Massenausgleich nicht durchführen muß.

Der häufigste Lösungsvorschlag für Freikolbenmotoren beruht jedoch auf der di­ rekten mechanischen Kopplung zweier sich auf einer Achse bewegenden Kolben mit alternierendem Betriebszyklus (vgl. DE 26 54 629 A1, DE 27 55 434 A1, DE 32 24 723 A1, DE 34 38 687 A1 und EP 0 120 986 A1). Zur Erzeugung eines har­ monischen Betriebes bis hin zum Viertaktverhalten werden verschiedene Steue­ rungsmechanismen verwendet, wobei als Abtriebsenergieträger pneumatische und elektrische Systeme dienen. Auf den direkten Massenausgleich wird verzichtet.

Alle mit Freikolben arbeitende Systeme haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß wegen des fehlenden Schwungmomentes schon geringe Unterschiede bei der Verbrennung, die betriebstechnisch nicht zu umgehen sind, zu Unregelmäßigkei­ ten im Betrieb führen.

Die Erfindung geht nun von einem Stand der Technik aus, wie er aus der DE 39 13 806 A1 bekannt ist. Dort ist ein Freikolbenmotor beschrieben, der als Einkolben-Motor ausgebildet und - als Freikolbenmotor - ebenfalls mit den vorgenannten Nachteilen behaftet ist. Bei diesem bekannten Freikolben­ motor findet die Energiespeicherung während des Arbeitstaktes durch einen Lineargenerator statt, während die Steuerung des Freikolbenmotors und die elektrische Leistungsabnahme durch einen elektrischen Linearmotor vorge­ nommen wird. Die Taktfrequenz und der Hub sollen mit Hilfe einer elektro­ nischen Regelung mit dem notwendigen Gleichmaß gesteuert werden. Allerdings sind die bei der Energiespeicherung vor allem beim Arbeitstakt im unteren Totpunkt entstehenden Kräfte erheblich. Daher ist ein entsprechend groß di­ mensionierter Linearmotor erforderlich, der den Verbrennungsanteil des Mo­ tors um ein Vielfaches übersteigt. Selbstverständlich müssen bei diesem be­ kannten Freikolbenmotor mit elektrischem Linearmotor relativ hohe elektrische Ströme aufgebracht werden, was ebenfalls wiederum eine entsprechende Ausle­ gung des Motors und der Stromführungskabel bedingt.

Die Erfindung geht nun einen anderen Weg, dessen Grundgedanke im Patentan­ spruch 1 wiedergegeben ist. Bei einem Freikolbenmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist erfindungsgemäß ein mechanisches Fe­ dersystem vorgesehen, das mit dem Kolben zusammenwirkt, beim Arbeitshub des Kolbens Energie speichert und beim Verdichtungshub die gespeicherte Energie zumindest zum Teil an den Kolben wieder abgibt. Bei dem erfindungsgemäß vor­ geschlagenen Freikolbenmotor erfolgt die Energiespeicherung während des Ar­ beitstaktes also durch ein mechanisches Federsystem, welches ohne weiteres durch Wahl geeigneter Federmittel an einen harmonischen Betrieb des Frei­ kolbenmotors angepaßt werden kann. Dabei stellt der Kolben des Freikolben­ motors (einschließlich der mit dem Kolben verbundenen Teile) zusammen mit dem Federsystem einen sogenannten Feder/Masse-Schwinger dar, der das fehlende Schwungmoment ersetzt, wodurch der Lauf des Freikolbenmotors vergleichmäßigt werden kann. Die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches auftreten­ den Unregelmäßigkeiten im Betrieb können ohne weiteres durch das erfindungs­ gemäße Federsystem kompensiert werden, wodurch auch ggf. erforderliche Steuer­ kräfte relativ gering sind. Schließlich überzeugt ein mechanisches Federsystem aufgrund seiner Einfachheit, seiner Federn innewohnenden Robustheit und seiner Langlebigkeit, wobei der konstruktive Aufwand zur Verwendung eines mechani­ schen Federsystems äußerst gering ist.

Die für den erfindungsgemäßen Freikolbenmotor angegebenen Vorteile ergeben sich selbstverständlich auch bei einem Verfahren zur Umwandlung von in Kraft­ stoff gespeicherter Energie in elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14, wobei ein Teil der bei der Verbrennung des Kraftstoff- Luftgemisches freiwerdenden Energie in einem mechanischen Federsystem unter Kompression des Federsystems gespeichert und beim Verdichtungshub durch Ent­ spannung des Federsystems dem Kolben zumindest zum Teil wieder zugeführt wird. Sowohl beim erfindungsgemäßen Freikolbenmotor, als auch beim genannten Ver­ fahren ist es zur Rückführung des Kolbens beim Verdichtungshub an sich nicht erforderlich, einen, beispielsweise wie beim Stand der Technik verwendeten und unbedingt notwendigen Linearmotor einzusetzen. Ein ggf. zu verwendender Linearmotor zur Beeinflussung des Bewegungsablaufs des erfindungsgemäßen Frei­ kolbenmotors kann zwar grundsätzlich vorgesehen sein, kann dann aber entspre­ chend gering dimensioniert werden, da wie bereits erwähnt, lediglich geringe Steuerkräfte beim erfindungsgemäßen Freikolbenmotor und Verfahren erforder­ lich sind.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unab­ hängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungs­ gemäßen Freikolbenmotors in zwei Betriebszuständen, wobei eine untere und eine obere Position eines Kolbens des Freikolbenmotors dargestellt ist.

Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor 1, der als sogenannter Einkolben-Motor ausgebildet ist, weist einen Wandler 2, einen Zylinder 3 und einen in dem Zylinder hin und her bewegbaren Kolben 4 auf. Unter einem Einkolben-Motor wird ein Motor verstanden, der pro Zylinder nur einen einzigen Kolben auf­ weist. Dessen ungeachtet kann sich ein Antriebsaggregat selbstverständlich aus mehreren erfindungsgemäßen Freikolbenmotoren zusammensetzen, wobei jeder einzelne Freikolbenmotor dann völlig unabhängig von den anderen Freikolben­ motoren betrieben wird.

Mit dem Kolben 4 des Freikolbenmotors 1 ist eine Kolbenstange 5 verbunden. Der Kolben 4 wirkt dabei über die Kolbenstange 5 mit dem Wandler 2 zusammen. Der Wandler, der vorzugsweise als Lineargenerator ausgebildet ist, weist ei­ nen Anker 6 und einen um den Anker 6 herum angeordneten Stator 7 auf, der im dargestellten Beispiel als Spule ausgebildet ist. Der Anker 6 ist fest mit der Kolbenstange 5 verbunden und bewegt sich aufgrund der linearen Hin- und Herbewegung des Kolbens 4 im Zylinder 3 relativ zum Stator 7. Bei dem gezeig­ ten Anker 6 und Stator 7 handelt es sich um im Stand der Technik bekannte Mit­ tel (vgl. obengenannte Druckschriften, wobei auf den dort jeweils gezeigten und beschriebenen Aufbau des Lineargenerators ausdrücklich Bezug genommen wird), so daß auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzich­ tet werden kann.

Dem Freikolbenmotor 1 ist ein mechanisches Federsystem 8 zugeordnet, das mit dem Kolben 4 zusammenwirkt. Der Kolben 4 ist grundsätzlich während des Be­ triebes des Freikolbenmotors 1 zwischen einer oberen und einer unteren Posi­ tion bewegbar (vgl. rechte und linke Darstellung des Kolbens 4 in der Figur). Die obere und die untere Position des Kolbens 4 ist mit dem oberen und unte­ ren Totpunkt eines Kolbens bei einem Kolbenmotor mit Kurbelwelle nicht direkt vergleichbar, da die obere und die untere Position bei dem erfindungsgemäßen Freikolbenmotor 1 immer von der Schwingungsamplitude des schwingenden Feder­ systems 8 abhängt.

Beim Arbeitshub des Kolbens 4, also nach der Zündung und nach bzw. während der Expansion und Verbrennung eines Kraftstoff-Luftgemisches im Zylinder 3 und der sich daraus ergebenden Bewegung des Kolbens 4 entlang einer nicht dargestellten Achse von der in der rechten Hälfte der Darstellung gezeigten oberen Position in die in der linken Hälfte der Darstellung gezeigte unte­ re Position, speichert das Federsystem 8 durch Kompression einen Teil der bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches freiwerdenden Energie. Ein weiterer Teil der durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches frei­ werdenden Energie wird in kinetische Energie umgewandelt und auf den Kol­ ben 4 beim Arbeitshub übertragen, wodurch auch der Anker 6 durch den Stator 7 hindurchbewegt wird. Hierdurch wird (in bekannter Weise) elektrischer Strom erzeugt, der von dem Wandler 2 beispielsweise an einen nicht dargestellten Elektromotor abgegeben und/oder zur Aufladung einer Batterie verwendet wird.

Um die bei dem Freikolbenmotor 1 periodisch auftretenden Massen- und Gaskräf­ te gut speichern und kompensieren zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Federsystem 8 eine nicht lineare Charakteristik, d. h. eine progres­ sive Federkennlinie aufweist. Insgesamt ist das Federsystem 8 selbstverständ­ lich derart ausgelegt, daß es selbst bei Vollast des Freikolbenmotors 1 nicht vollständig komprimiert werden kann, also der maximale Federweg nicht ausge­ nutzt wird, wodurch sichergestellt ist, daß weder das Federsystem 8 noch der Kolben 4 oder die Kolbenstange 5 beim Arbeitshub beschädigt werden.

Das in der Figur dargestellte Federsystem 8 weist eine Schraubendruckfeder 9 auf, bei der sich die nicht lineare Federcharakteristik in besonders ein­ facher Weise verwirklichen läßt. Statt der dargestellten Schraubendruckfe­ der 9 kann das Federsystem aber auch ein Federpaket aus Tellerfedern aufwei­ sen, was nicht dargestellt ist. Gerade Tellerfedern bieten den Vorteil, daß sie bei geringem Platzbedarf und relativ kleinen Federwegen eine hohe Energie­ speicherung garantieren.

An den Zylinder 3 schließt sich ein Gehäuse 10 an. Das Gehäuse 10 kann, wie dargestellt, einteilig mit dem Zylinder 3 oder aber als separates Teil ausge­ bildet sein, welches dann mit dem Zylinder 3 verbunden ist. Im Gehäuse 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl das Federsystem 8, als auch der Wandler 2 aufgenommen. Dabei ist im oberen, dem Zylinder 3 zugewandten Bereich des Gehäuses 10 das Federsystem 8 angeordnet, während im unteren Bereich des Gehäuses 10 der Wandler 2 vorgesehen und der Stator 7 befestigt ist. Zur Ab­ stützung des Federsystems 8 ist im Gehäuse 10 eine, vorzugsweise umlaufende Schulter 11 ausgebildet, wobei das Federsystem 8 um die Kolbenstange 5 und den daran befestigten Anker 8 herum angeordnet ist und sich mit seinem einen Ende auf der Schulter 11 abstützt. Mit seinem anderen Ende stützt sich das Federsystem 8 - vorzugsweise direkt - am Kolben 4 ab und ist fest mit diesem verbunden. Dazu greift das Federsystem 8 direkt an der Unterseite 12 des als Hohlkörper gebildeten Kolbens 4 an.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Feder­ system zwar ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet, stützt sich an die­ sem auch ab, es wirkt jedoch nur indirekt mit dem Kolben zusammen. Im Gegen­ satz zu der gezeigten Ausführungsform ist das Federsystem dann nicht mehr vor, sondern hinter dem Wandler angeordnet und wirkt unmittelbar auf den An­ ker. Die dargestellte Ausführungsform hat gegenüber der genannten, nicht ge­ zeigten Ausführungsform den Vorteil, daß sie kleiner bauend ist, da der sich aufgrund der hohlkörperförmigen Ausbildung des Kolbens 4 ergebende Raum inner­ halb des Kolbens 4 zur Aufnahme der Schraubendruckfeder 9 genutzt wird.

Da bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches relativ häufig betriebs­ technisch nicht zu umgehende Unregelmäßigkeiten während des Betriebes auf­ treten, ist der erfindungsgemäße Freikolbenmotor 1 weiterhin mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung versehen. Diese Steuereinrichtung überwacht und steuert den Bewegungsablauf des Freikolbenmotors 1 in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern. Vorteilhafterweise sind zur Überwachung des Bewegungsablaufs nicht näher dargestellte Stellungsindikatoren vorgesehen, die auf die jeweilige Stellung bzw. Position beispielsweise des Ankers 6 und/oder des Kolbens 4 reagieren. Um nun dem Bewegungsablauf im Falle von Unregelmäßig­ keiten, die selbst durch das erfindungsgemäße Federsystem nicht kompensiert werden können, zu vergleichmäßigen, ist vorgesehen, daß die Steuereinrichtung mit einem Motor, der ebenfalls nicht dargestellt ist, zur Beeinflussung des Bewegungsablaufes zusammenwirkt. Dabei bietet es sich der Einfachheit halber an, daß der Wandler 2 nicht nur, wie dargestellt, als Lineargenerator ausge­ bildet ist, sondern gleichzeitig auch als Linearmotor betreibbar ist, wobei die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern den Wandler 2 vom Generatorbetrieb auf Motorbetrieb und umgekehrt schalten kann. Ein Umschalten vom Generatorbetrieb auf Motorbetrieb ist aber lediglich bei nicht mehr über das Federsystem 8 zu kompensierenden Unregelmäßigkeiten oder besonderen gewünschten Betriebszuständen erforderlich, während beim gattungs­ bildenden Stand der Technik das Hin- und Herschalten zwischen Generator- und Motorbetrieb periodisch erfolgen muß, was neben den bereits obengenannten Nachteilen einen relativ großen Verschleiß der entsprechenden dafür notwendi­ gen Schaltelemente bedeutet.

Zur genauen Führung des insgesamt im Freikolbenmotors 1 beweglichen Systems aus Kolben 4, Kolbenstange 5 und Anker 6 ist im Gehäuse 10 eine Führungsstange 13 vorgesehen, die an einer hinteren Stirnwandung 14 des Gehäuses 10 befestigt ist. Die Führungsstange 13 ragt in den Anker 6 hinein, der dementsprechend mit einer nicht dargestellten Öffnung zur Aufnahme der Führungsstange 13 versehen ist. Es versteht sich, daß statt der Führungsstange 13 auch eine andere Füh­ rung vorgesehen sein kann. Dem Anker 6 ist bei der dargestellten Ausführungs­ form ein weiteres Federsystem 15 zugeordnet. Dieses weitere Federsystem 15 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Tellerfedern 16, 17. Das weitere Federsystem 15 dient im wesentlichen dazu, im Vollastbetrieb den Anker 6 abzufedern und ihn an einer Berührung des Gehäuses 10 zu hindern, so daß ggf. mögliche Beschädigungen des Ankers 6 und/oder des Gehäuses 10 selbst bei Vollastbetrieb des Freikolbenmotors 1 nicht auftreten können. Im Teillast­ betrieb wirkt das weitere Federsystem 15 in der Regel nicht mit dem Anker 6 zusammen.

Wie eingangs erwähnt, handelt es sich bei der einzigen Figur lediglich um eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Freikolbenmotors 1. Aus Über­ sichtlichkeitsgründen wurde auf die Darstellung von ggf. erforderlichen Ein- und Auslaßventilen, einer Zündkerze und einer Einspritzdüse oder von Über­ strömkanälen, wie sie für einen nach dem Zweitaktverfahren arbeitenden Motor üblich sind, verzichtet. Es versteht sich aber, daß der erfindungsgemäße Frei­ kolbenmotor 1, der sowohl nach dem Zweitakt-, als auch nach dem Viertaktver­ fahren arbeiten kann, mit den im Stand der Technik bekannten Mitteln, die zum Betrieb des Freikolbenmotors erforderlich, aber nicht dargestellt sind, ver­ sehen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von in Kraftstoff gespeicherter Primärenergie in elektrische Energie bei dem dargestellten Freikolbenmotor 1 läuft nun wie folgt ab:

In Ausgangsstellung befindet sich der Kolben 4 in einer Stellung F, die ge­ strichelt angedeutet ist. Die Stellung F gibt den unbelasteten Zustand der Schraubendruckfeder 9 an. Oberhalb der Oberseite 18 des Kolbens befindet sich eine Brennkammer 19, der zum Starten über die nicht dargestellten Ventile bzw. Überströmkanäle oder eine Einspritzdüse ein Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt wird. Das Kraftstoff-Luftgemisch kann nun direkt gezündet werden, oder aber der Wandler 2 schaltet auf Motorbetrieb, so daß der Kolben 4 in die dargestell­ te obere Position (rechte Hälfte der Darstellung) geführt wird, woraufhin erst in dieser Stellung das Kraftstoff-Luftgemisch bei erhöhter Verdichtung gezün­ det wird. Nach Zündung des der Brennkammer 19 zugeführten Kraftstoff-Luftge­ misches expandiert dieses, woraufhin der Kolben 4 in die dargestellte untere Position (linke Hälfte der Darstellung) bewegt wird, wobei gleichzeitig das Federsystem 8 komprimiert und der Anker 6 durch den Stator 7 hindurch bewegt wird. Die im Kraftstoff-Luftgemisch enthaltene Energie wird also - abgesehen von Wärme- und Reibungsverlusten - zum einen zur Kompression des Federsystems 8 verwendet bzw. in entsprechende Kompressionsenergie umgesetzt und zum an­ deren in kinetische Energie umgewandelt, die auf den Kolben 4 übertragen wird, so daß sich dieser von der oberen in die untere Position bewegt und dabei den Anker 6 durch den Stator 7 hindurch bewegt. Während dieser Relativbewegung des Ankers 6 zum Stator 7 arbeitet der Wandler 2 im Generatorbetrieb, wandelt also die kinetische Energie des Kolbens 4 bzw. des Ankers 6 in elektrische Energie um und erzeugt auf diese Weise elektrischen Strom. Bei der anschließen­ den Bewegung des Kolbens 4 von der unteren Position zurück in die obere Position kann der Wandler 2 wiederum im Generatorbetrieb arbeiten, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Die im Federsystem 8 gespeicherte Energie wird jedenfalls zumindest im wesentlichen in kinetische Energie umgesetzt, die zumindest zur Bewegung des Kolbens 4 in die Stellung F ausreicht. Da das Federsystem 8 bei seiner Entspannungsbewegung schwingt (schon allein wegen der Trägheit des Kolbens 4, der Kolbenstange 5 und des Ankers 6) wird aber die Stellung F überschritten und es tritt eine Längung des Federsystems 8 ein, bis die obere Position erreicht ist. Sobald dies der Fall ist, beginnt der geschilderte Vorgang von neuem.

Ist eine Beeinflussung der Bewegung des Kolbens 4 während des Betriebes des Freikolbenmotors 1 erforderlich, so schaltet die Steuereinrichtung den Wandler 2 auf Motorbetrieb, so daß dann elektrische Leistung über den Wandler 2 abge­ geben wird.

Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor 1 eignet sich insbesondere für einen Be­ trieb im Zweitaktverfahren, jedoch ist, wie erwähnt, auch ein Betrieb im Vier­ taktverfahren möglich, wobei dann jedoch ein periodischer Betrieb des Wandlers als Motor erforderlich ist. Neben den bereits genannten Vorteilen ergibt sich beim erfindungsgemäßen Zweikolbenmotor 1 der zusätzliche Vorteil, daß sich un­ terhalb des Kolbens 4 im Gehäuse 10 eine Vorkompression erzielen läßt. Gegen­ über Kurbelwellenmotoren kann, wie bereits ausgeführt, der maximale Hub ver­ größert und die thermodynamische Ausnutzung verbessert werden. Im Teillastbe­ reich wird die Schwingungsamplitude stufenlos wünschenswert verkleinert.

Claims (14)

1. Freikolbenmotor mit wenigstens einem Wandler, mit wenigstens einem Zylin­ der, mit einem im Zylinder bewegbaren Kolben und mit einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange, wobei der Wandler mit einem Anker und mit einem Stator versehen und die Kolbenstange mit dem Anker verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanisches Federsystem (8) vorgesehen ist, das mit dem Kolben (4) zusammenwirkt, beim Arbeitshub des Kolbens (4) Energie speichert und beim Verdichtungshub die gespeicherte Energie zumindest teil­ weise an den Kolben (4) abgibt.

2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder­ system (8) eine progressive Federkennlinie aufweist.

3. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem (8) eine Schraubendruckfeder (9) aufweist.

4. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem ein Federpaket aus Tellerfedern aufweist.

5. Freikolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich an den Zylinder (3) anschließendes Gehäuse (10) vorgesehen ist, an dem sich das Federsystem (8) mit seinem Ende abstützt, um mit dem Kolben (4) zusammenzuwirken.

6. Freikolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse eine umlaufende Schulter (11) zur Abstützung des Federsystems (8) vorgesehen ist und daß das Federsystem (8) um die Kolbenstange (5) und/oder um den Anker (6) herum angeordnet ist.

7. Freikolbenmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem (8) mit seinem anderen Ende mit dem Kolben (4) fest verbunden ist, und daß der Kolben (4) als Hohlkörper ausgebildet ist.

8. Freikolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den durch das Federsystem (8) bedingten schwingenden Bewegungsablauf während des Betriebes überwacht und in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern steuert.

9. Freikolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Bewegungsablaufes Stellungsindikatoren vorgesehen sind.

10. Freikolbenmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mit einem vorzugsweise als Linearmotor ausgebildeten Motor zur Steuerung des Bewegungsablaufes zusammenwirkt.

11. Freikolbenmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (2) derart ausgebildet ist, daß er sowohl als Generator als auch als Motor be­ treibbar ist und daß die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern den Wandler (2) vom Generatorbetrieb auf Motorbetrieb und umgekehrt schaltet.

12. Freikolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (6) an seinem dem Kolben (4) abgewandten Ende vorzugsweise ent­ lang einer Führungsstange (13) geführt ist, und daß die Führungsstange (13) in den Anker (6) hineinragt.

13. Freikolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Anker (6) ein weiteres Federsystem (15) zugeordnet ist, das vorzugs­ weise allenfalls im Vollastbetrieb mit dem Anker (6) zusammenwirkt.

14. Verfahren zur Umwandlung von in Kraftstoff gespeicherter Energie in elek­ trische Energie bei einem Freikolbenmotor, insbesondere nach einem der An­ sprüche 1 bis 13, wobei ein Kraftstoff-Luftgemisch in einem Zylinder des Frei­ kolbenmotors verbrannt, die dabei freiwerdende Energie zumindest zum Teil in kinetische Energie umgewandelt und auf einen Kolben des Freikolbenmotors übertragen wird, und anschließend beim Arbeitshub des Kolbens zumindest ein Teil der kinetischen Energie über einen Wandler des Freikolbenmotors in elek­ trische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches freiwerdenden Energie in einem mechanischen Federsystem unter Kompression des Federsystems gespei­ chert und beim Verdichtungshub durch Entspannung des Federsystems dem Kolben zumindest zum Teil wieder zugeführt wird.