EP1534944A1 - Verfahren zur regelung des betriebs einer einrichtung zur erzeugung elektrischer energie durch einen mittels einer freikolbenbrennkraftmaschine angetriebenen generator - Google Patents

Verfahren zur regelung des betriebs einer einrichtung zur erzeugung elektrischer energie durch einen mittels einer freikolbenbrennkraftmaschine angetriebenen generator

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EP1534944A1
EP1534944A1 EP03793615A EP03793615A EP1534944A1 EP 1534944 A1 EP1534944 A1 EP 1534944A1 EP 03793615 A EP03793615 A EP 03793615A EP 03793615 A EP03793615 A EP 03793615A EP 1534944 A1 EP1534944 A1 EP 1534944A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
generator
pistons
internal combustion
combustion engine
piston
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03793615A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Kemper
Christian Boie
Hendrikus Janssen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FEV Europe GmbH
Original Assignee
FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by FEV Motorentechnik GmbH and Co KG filed Critical FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Publication of EP1534944A1 publication Critical patent/EP1534944A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F02B71/06—Free-piston combustion gas generators per se
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/041—Linear electric generators

Definitions

  • a two-stroke free-piston internal combustion engine is known as the drive, which is arranged with two axially consecutive
  • L0 th cylinders is provided, in each of which a pair of pistons movable in opposite directions is arranged.
  • the pistons of the two pairs of pistons, each moving in the same direction, are connected to one another.
  • Each piston pair delimits a combustion chamber in its cylinder, so that when the
  • the invention is based on the object of providing a method for regulating the operation of such a device for generating electrical energy which brings about stable operation of the free-piston internal combustion engine. 5
  • Optimal operation of the free-piston internal combustion engine can be predetermined by a setpoint value for the compression ratio.
  • a voltage can be applied to the stator winding of the generator in a controlled manner and thus in accordance with the requirements of the regulation from the target / actual comparison with respect to the Compression ratio, if necessary supported by an appropriate intervention in the fuel metering, the operation of the free piston internal combustion engine can be stabilized.
  • the particular advantage of the control method according to the invention is that the detection of the compression ratio and the associated movement of the piston already takes place during a working cycle, so that any necessary control intervention via the voltage applied to the stator winding and / or the fuel metering takes place in the next work cycle can be activated so that a very fast and sensitive control of the operating behavior of the free-piston internal combustion engine is possible. Fine control is thus available for the stable operation of a free-piston internal combustion engine in such a device for generating electrical energy.
  • a succession of misfires of the same cylinder can also be detected and the operation of the machine can be stopped.
  • the fuel can be supplied by direct injection into the combustion chambers or by injection into the air intake ducts.
  • the supplied fuel can be ignited by spark ignition or by self-ignition.
  • a linear generator has a stator with a winding having at least one coil and a rod-shaped rotor that can be moved back and forth.
  • Different principles of action are known, for example permanent magnetic action, reluctance action or inductive action with different number of phases.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of a device for generating electrical energy by means of a linear generator drive by a free-piston internal combustion engine
  • Fig. 2 shows a modification of the arrangement.
  • Fig. 3 is a block diagram of the control.
  • a generator set for generating electrical energy which essentially consists of two parallel linear generators 1, which has two stator windings 2 and 3, each of which can also have one or more coils.
  • the stator windings 2 and 3 are each assigned a rotor 4 and 5 which are moved back and forth relative to the stator windings 2 and 3 in order to generate electrical energy.
  • a two-stroke, two-cylinder free-piston internal combustion engine is provided as the drive.
  • This essentially consists of two cylinders 6 and 7 arranged one behind the other in an axis, in which pistons 6.1 and 6.2 on the one hand and pistons 7.1 and 7.2 on the other hand are reciprocally guided in opposite directions.
  • the pistons 6.1 and 7.1 are connected to the rotor 4 and the pistons 6.2 and 7.2 are connected to the rotor 5, so that the reciprocating movement of the pistons is transmitted directly to the rotor.
  • the structural elements for the gas exchange are not shown here.
  • the preferably longitudinally flowing charge change can take place either via controlled valves or via corresponding longitudinal slots in the cylinder wall, as is known from two-stroke engines.
  • the arrangement of a rinsing pump (not shown in more detail here) or an additional charger is preferably provided.
  • Each piston pair 6.1, 6.2 or 7.1, 7.2 delimits a combustion chamber.
  • the fuel is supplied via direct injection by means of injection nozzles 8 and 9.
  • the fuel can also be supplied by injection into the air intake ducts (not shown here).
  • the fuel can be ignited by spark ignition or by auto-ignition. The firing of the two cylinders 6 and 7 takes place alternately.
  • Fig. 1 the arrangement is shown in operation, namely after ignition of the fuel-air mixture at the beginning of the expansion stroke in the cylinder 6.
  • the two pistons 6.1 and 6.2 are pressed apart by the gas pressure, while in the cylinder 7, the two pistons 7.1 and 7.2 move towards each other and compress the cylinder filling, so that in the next cycle the cylinder 7 can be fired and the work cycle runs in the opposite direction.
  • the two rotors 4 and 5 move in opposite directions 5 through their assigned stator windings 2 and 3, the corresponding "batchwise" electrical energy being generated as a result of the reciprocating movement of the rotors 4, 5.
  • the two stator windings 2, 3 are provided with controllable power output stages 10.1 and 10.2, which can be controlled via a 20 controller 11. As indicated here, the power output stages can be connected to their own current source 12.
  • the power output stages 10.1 and 10.2 is followed by a consumer 13 5, which is preceded by a buffer 13.1 in the form of a storage accumulator or a storage capacitor, so that the discontinuously generated energy for the consumer as a continuous, ie. H. constant energy is removable. 0
  • the stator windings 2 and 3 are assigned sensors 14 and 15, via which the voltage and current generated are detected and applied as a measured value to the controller 11.
  • the power output stages 10.1 and 5 10.2 are controlled via the controller 11 in such a way that a corresponding change in the clocked voltage application of the stator windings 2 and 3 to the speed profile of the Runner 4, 5, and thus the compression ratio is influenced and can preferably be kept constant during each work cycle. This is done by deliberately braking or accelerating the rotors 4, 5 via the clocked voltage application of the stator windings 2, 3 and / or the change in the fuel metering, for example by changing the injection duration. This means that a "fast" internal control loop is available for the control process.
  • the electrical energy consumed by the consumer 13 is detected via a sensor 16, for example by measuring the current and / or the voltage. This measured value is also fed to the controller 11, via which the fuel metering can then be controlled in accordance with the electrical energy consumed by a corresponding control of the fuel supply.
  • At least one of the two cylinders 6, 7 is assigned two sensors 17 and 18, by means of which the position of the pistons in the cylinders, in particular the "top dead center position", are detected can to control the fuel supply and also control the ignition in the case of spark ignition.
  • electro-mechanical sensors can also be used in conjunction with a corresponding design of the controller 11 for detecting the movement sequence of the pistons for the operational control.
  • the compression ratio can be derived from the detection of the respectively reached end position of the pistons.
  • the course of the movement speed can be determined from the detection of the change in position as a function of time, so that the necessary measured variables for a "fast" control are also immediately available for the controller 11.
  • the compression ratio is entered in the controller 11 as a predeterminable setpoint for the “fast” inner control loop.
  • the compression ratio can be stored in the form of a load-dependent characteristic diagram, so that a different target value can be specified for the target / actual comparison for different load cases.
  • linear generator 1 is that instead of two linear generators, only one linear generator 1.1 is provided, which has a stator winding 2.1 consisting of one or more coils.
  • the assigned rotor 4.1 is rigidly coupled to the pistons 6.1 and 7.1.
  • the likewise rigid connection 19 between the two pistons 6.2 and 7.2 is connected to a change-of-direction transmission 20, the output 21 of which acts directly on the rigid connection between the two pistons 6.1 and 7.1 and thus also the kinetic energy of the pistons 6.2 and 7.2 Runner 2.1 transmits.
  • FIG. 3 the control loop is shown in the form of a block diagram in its link.
  • the reference numerals used in FIG. 1 for the individual components are used in the same way in FIG. 3.
  • the linear generator 1, the free-piston internal combustion engine 6, 7 and the power output stages 10.1 / 10.2 interact with one another, with the "fast" formed by the controller 11 via the sensors 14, 15 and the power output stages 10 inner control loop in the event of an emerging unstable operating position of the free-piston internal combustion engine, the stator winding and possibly also the fuel injection nozzles 8, 9 are controlled.
  • This inner control loop is assigned an outer control loop, by means of which the sensor 16 detects the (electrical) load that is taken off by the controller 11 and the fuel metering is adapted accordingly.
  • a linear generator 1 can also work as a motor when electrical energy is supplied, there is also the possibility in the devices for generating electrical energy shown here to start the free-piston internal combustion engine 6, 7.
  • the trajectory or piston in the state space provides the continuous recording of the mechanical state variables (piston speeds, piston positions).
  • a "prediction" of the energy conversion required for stable operation of the internal combustion engine by the generator is possible in order to achieve a predetermined target state (compression ratio, Working frequency of the internal combustion engine) shortly before the next start of combustion.
  • the generator Due to the clocked voltage application during the working stroke, the generator can also be operated as a motor for a short time, so that external disturbing influences on the movement of the pistons are compensated for. In particular, misfires can be recognized and "dubbed”. Determination of the switching times and switching voltages for realizing the energy conversion by the generator, the energy given off by the free-piston internal combustion engine, thereby continuous observation of the trajectory and corresponding correction of the switching times and voltages.
  • the voltages of the coils of the stator winding are switched via semiconductor bridges in accordance with the decision of the control algorithm during a stroke of the internal combustion engine to + Ub and / or 0 and 7 or -Üb.
  • a change in the voltage application between + Ub and / or —Üb or no voltage change can take place during a working stroke for a fraction of the stroke duration (here the operating voltage is used).
  • the pistons of the cylinder being fired are braked and / or driven, depending on the voltage applied, or can follow the effect of the gas forces against the load decrease of the generator.
  • the prescribed voltage application can change during a stroke so that the piston movement follows the trajectory recorded by the controller and the specified values for compression and working frequency.
  • the coils of the stator winding can be energized in such a way that the pistons come to a standstill symmetrically after the injection has been switched off.
  • the pistons can be brought to a standstill immediately after the last combustion or additional generator-driven flushing cycles can be carried out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die einen Generator mit wenigstens einer mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbaren Statorwicklung und wenigstens einem Läufern und eine Zweitakt-Freikolbenbrennkraftmaschine aufweist, die mit zwei gleichachsig hintereinander angeordneten Zylindern und jeweils einem gegenläufig zueinander bewegbaren Kolbenpaar je Zylinder versehen ist, bei dem jeweils sich in gleicher Richtung bewegenden Kolben der beiden Kolbenpaare jeweils miteinander verbunden sind, wobei die Kolbenverbindungen mit dem Läufer des Generators in Wirkverbindung stehen, wobei die elektrische Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklung und/oder die Kraftstoffzumessung zur Einhaltung eines borgebbaren Verdichtungsverhältnisses in den Zylindern der Freikolbenbrennkraftmaschine geregelt wird.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch einen mittels einer Freikolbenbrennkraft- maschine angetriebenen Generator 5
Beschreibung
Als Antrieb ist eine Zweitakt-Freikolbenbrennkraftmaschine bekannt, die mit zwei gleichachsig hintereinander angeordne-
L0 ten Zylindern versehen ist, in denen jeweils ein gegenläufig zueinander bewegbares Kolbenpaar angeordnet ist. Die jeweils sich in gleicher Richtung bewegenden Kolben der beiden Kolbenpaare sind jeweils miteinander verbunden. Jedes Kolbenpaar begrenzt in seinem Zylinder einen Brennraum, so daß bei ab-
L5 wechselnder Befeuerung der Zylinder sich die beiden jeweils miteinander verbundenen Kolben gegenläufig hin und her bewegen, wobei die Bewegungsenergie von den Kolbenverbindungen abgegriffen und beispielsweise zum Antrieb eines elektrischen Generators verwendet werden kann.
20
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Betriebs einer derartigen Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zu schaffen, die einen stabilen Betrieb der Freikolbenbrennkraftmaschine bewirkt. 5
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ein optimaler Betrieb der Freikolbenbrennkraftmaschine ist durch einen Sollwert des Verdichtungsverhältnisses vorgebbar. Störungen der freien Bewe-
30 gung der jeweils miteinander verbundenen Kolben der Kolbenpaare wirken sich unmittelbar auf das tatsächliche Verdichtungsverhältnis, aber auch auf die Arbeitsfrequenz der Freikolbenbrennkraftmaschine aus. Durch eine entsprechende Senso- rik ist es nun möglich, sowohl die Kolbenposition im Zylinder
35 als auch die Kolbenbewegung, insbesondere den Bewegungsablauf der Kolben zu erfassen und hieraus entsprechende Meßsignale bezüglich des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses und auch der Arbeitsfrequenz zu erfassen.
Durch die Verknüpfung der Kolbenverbindung mit dem Läufer ei- nes Generators sowie über eine Regelung über mit der Statorwicklung verbundene Leistungsendstufen kann die Statorwicklung des Generators taktweise geregelt mit einer Spannung beaufschlagt werden und so entsprechend den Vorgaben der Regelung aus dem Soll/Ist-Vergleich bezüglich des Verdichtungs- Verhältnisses, wenn nötig noch unterstützt werden durch einen entsprechenden Eingriff in die Kraftstoffzumessung, der Betrieb der Freikolbenbrennkraftmaschine stabilisieret werden.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Regelungsverfah- rens besteht darin, daß die Erfassung des Verdichtungsverhältnisses und der damit verknüpfte Bewegungsablauf des Kolbens bereits während eines Arbeitsspiels erfolgt, so daß ein etwa notwendiger Regeleingriff über die Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklung und/oder über die Kraftstoffzumessung bereits im nächsten Arbeitstakt aktiviert werden kann, so daß eine sehr schnelle und feinfühlige Regelung des Betriebsverhaltens der Freikolbenbrennkraftmaschine möglich ist. Damit steht für den stabilen Betrieb einer Freikolbenbrennkraftmaschine in einer derartigen Einrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie eine Feinregelung zur Verfügung.
Ist zwischen dem Verbraucher und dem Generator, wie in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, ein Pufferspeicher in Form eines Akkumulators oder eines Konden- sators vorgesehen, oder ist eine sonstige externe äußere
Spannungsquelle vorgesehen, die mit den Leistungsendstufen in Verbindung steht, dann kann beispielsweise bei einem Zündaussetzer in einem der Zylinder gleichwohl ein gleichmäßiger Betrieb aufrechterhalten werden. Über die Regelung wird dann bei einem Zündaussetzer in einem Zylinder für den ungezünde- ten "Expansionshub" durch eine entsprechende Beaufschlagung der Statorwicklung der Generator für diesen "Arbeitshub" als Motor betrieben, so daß das vorgegebene Verdichtungsverhältnis für das unmittelbar folgende Arbeitsspiel des anderen Zylinders zumindest nahezu erreicht wird und so dieser Arbeitstakt erfolgen kann und gleichzeitig für den Zylinder mit Zündaussetzer wieder die erforderliche Verdichtung erreicht und das nächste Arbeitsspiel erfolgen kann.
Bei entsprechender Ausgestaltung der Regeleinrichtung kann auch eine Aufeinanderfolge von Zündaussetzern desselben Zy- linders erfaßt und der Betrieb der Maschine gestoppt werden.
Bei der hier bevorzugt einzusetzenden Zweitakt-Freikolben- brennkraftmaschine kann die Kraftstoffzufuhr durch Direkteinspritzung in die Brennräume oder die Einspritzung in die Luftansaugkanäle erfolgen. Die Zündung des zugeführten Kraftstoffs kann durch Fremdzündung oder durch Selbstzündung erfolgen.
Während es grundsätzlich möglich ist, über eine entsprechende Getriebeanordnung die Hin- und Herbewegung der beiden Kolbenpaare in eine Drehbewegung umzusetzen und damit einen elektrischen Generator herkömmlicher Art anzutreiben, ist bevorzugt die Verwendung eines sogenannten Lineargenerators vorteilhaft. Ein Lineargenerator weist einen Stator mit einer, wenigstens eine Spule aufweisenden Wicklung und einen stab- förmigen, hin und her bewegbaren Läufer auf. Hierbei sind unterschiedliche Wirkungsprinzipien bekannt, so beispielsweise permanentmagnetische Wirkung, Reluktanz-Wirkung oder induktive Wirkung mit unterschiedlicher Phasenzahl.
Hierbei ist es möglich, nur eine Verbindung zwischen den Kolben der beiden Kolbenpaare als Läufer auszubilden und die Bewegungsenergie von der Verbindung zwischen den beiden anderen Kolben der Kolbenpaare mechanisch, beispielsweise über ein entsprechende Getriebe in den Läufer einzukoppeln, so daß nur ein Generator vorzusehen ist. Durch die geregelt getaktete Spannungsbeaufschlagaung der Generatorwicklung läßt sich jeweils die Stellung der Kolbenpaare in ihren zugehörigen Zylindern beeinflussen. Hierdurch läßt sich unabhängig von der Lastabnahme durch den Generator das Verdichtungsverhältnis in den Zylindern der Brennkraftmaschine beeinflussen. Bei einer Ausführungsform mit Ladungswechsel über Schlitze läßt sich hierdurch vorteilhaft auch die Mittellage des von den beiden Kolben jeweils begrenzten Brennraums relativ zu den Schlitzen verschieben, so daß eine Änderung der "Ventilüberschneidung" möglich ist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher Erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch einen Lineargeneratorantrieb durch eine Freikolbenbrennkraftmaschine,
Fig. 2 eine Abwandlung der Anordnung gem. Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Regelung.
In Fig. 1 ist ein Generatorsatz zur Erzeugung elektrischer Energie dargestellt, der im wesentlichen aus zwei parallelen Lineargeneratoren 1 besteht, der zwei Statorwicklungen 2 und 3 aufweist, die jeweils eine der auch mehrere Spulen aufweisen können. Den Statorwicklungen 2 und 3 ist jeweils ein Läufer 4 und 5 zugeordnet, die zur Erzeugung elektrischer Energie relativ zu den Statorwicklungen 2 und 3 hin und her be- wegt werden. Als Antrieb ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zweitakt-Zweizylinder-Freikolbenbrennkraftmaschine vorgesehen. Diese besteht im wesentlichen aus zwei in einer Achse hintereinander angeordneten Zylindern 6 und 7, in denen je- weils Kolben 6.1 und 6.2 einerseits und Kolben 7.1 und 7.2 andererseits gegenläufig hin und her bewegbar geführt sind.
Die Kolben 6.1 und 7.1 sind mit dem Läufer 4 und die Kolben 6.2 und 7.2 mit dem Läufer 5 verbunden, so daß die Hin- und Herbewegung der Kolben unmittelbar auf die Läufer übertragen wird.
Die konstruktiven Elemente für den Ladungswechsel sind hier nicht dargestellt. Der vorzugsweise längsgeströmte Ladungs- Wechsel kann entweder über gesteuerte Ventile oder aber über entsprechende Längsschlitze in der Zylinderwandung erfolgen, wie von Zweitaktmotoren bekannt. Bevorzugt ist die Anordnung einer hier nicht näher dargestellten Spülpumpe oder eines zusätzlichen Laders vorgesehen.
Jedes Kolbenpaar 6.1, 6.2 bzw. 7.1, 7.2 begrenzt einen Brennraum. Die Kraftstoffzufuhr erfolgt bei dem dargestellten Beispiel über eine Direkteinspritzung mittels Einspritzdüsen 8 und 9. Die Kraftstoffzufuhr kann aber auch durch Einspritzung in die hier nicht näher dargestellten Luftansaugkanäle erfolgen. Je nach der Motorkonzeption kann die Zündung des Kraftstoffs durch Fremdzündung oder auch durch Selbstzündung erfolgen. Die Befeuerung der beiden Zylinder 6 und 7 erfolgt abwechselnd.
In Fig. 1 ist die Anordnung im Betrieb dargestellt und zwar nach Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu Beginn des Expansionshubes im Zylinder 6. Hierbei werden die beiden Kolben 6.1 und 6.2 durch den Gasdruck auseinandergedrückt, während im Zylinder 7 die beiden Kolben 7.1 und 7.2 sich aufeinander zubewegen und hierbei die Zylinderfüllung komprimieren, so daß im nächsten Takt der Zylinder 7 befeuert werden kann und der Arbeitstakt in umgekehrter Richtung abläuft.
Die beiden Läufer 4 und 5 bewegen sich hierbei gegenläufig 5 durch ihre zugeordneten Statorwicklungen 2 und 3, wobei infolge der Hin- und Herbewegung der Läufer 4 , 5 entsprechende "satzweise" elektrische Energie erzeugt wird.
Da nun über die Hin- und Herbewegung der Läufer 4, 5 der L0 zeitliche Verlauf der Bewegungsgeschwindigkeit, aber auch die jeweilige Position der Kolben in den Zylindern 6 und 7 erfaßt werden kann, ist es möglich, durch eine entsprechende Regelung eine getaktete Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklungen 2 , 3 angepaßt an die von den Kolben eingebrachte L5 mechanische Energie entsprechende elektrische Energie abzunehmen.
Hierzu sind die beiden Statorwicklungen 2, 3 mit regelbaren Leistungsendstufen 10.1 und 10.2 versehen, die über einen 20 Regler 11 ansteuerbar sind. Die Leistungsendstufen können, wie hier angedeutet, mit einer eigenen Stromquelle 12 in Verbindung stehen.
Den Leistungsendstufen 10.1 und 10.2 ist ein Verbraucher 13 5 nachgeschaltet, dem ein Puffer 13.1 in Form eines Speicherakkumulators oder eines Speicherkondensators vorgeschaltet ist, so daß die diskontinuierlich erzeugte Energie für den Verbraucher als kontinuierliche, d. h. gleichbleibende Energie abnehmbar ist. 0
Den Statorwicklungen 2 und 3 sind Meßfühler 14 und 15 zugeordnet, über die die erzeugte Spannung und der erzeugte Strom erfaßt und als Meßwert auf den Regler 11 aufgeschaltet wird. Über den Regler 11 werden die Leistungsendstufen 10.1 und 5 10.2 in der Weise angesteuert, daß durch eine entsprechende Änderung in der getakteten Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklungen 2 und 3 auf den Geschwindigkeitsverlauf der Läufer 4, 5, und damit auf das Verdichtungsverhältnis Einfluß genommen wird und so während eines jeden Arbeitstaktes vorzugsweise konstant gehalten werden kann. Dies erfolgt durch gezieltes Abbremsen oder Beschleunigen der Läufer 4, 5 über die getaktete Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklungen 2, 3 und/oder die Änderung in der Kraftstoffzumessung, beispielsweise durch Veränderung der Einspritzdauer. Damit steht für das Regelungsverfahren ein "schneller" innerer Regelkreis zur Verfügung.
Über einen Meßfühler 16 wird die vom Verbraucher 13 abgenommene elektrische Energie beispielsweise durch Messung des Stromes und/oder der Spannung erfaßt. Dieser Meßwert wird ebenfalls dem Regler 11 zugeführt, über den dann durch eine entsprechende Ansteuerung der Kraftstoffzufuhr die Kraftstoffzumessung entsprechend der abgenommenen elektrischen Energie gesteuert werden kann.
Anstelle oder zusätzlich zu der vorbeschriebenen elektrischen Sensorik (Meßfühler 14, 15) sind wenigstens einem der beiden Zylinder 6, 7 zwei Sensoren 17 und 18 zugeordnet, über die jeweils die Position der Kolben in den Zylindern, insbesondere jeweils die "obere TotpunktStellung" erfaßt werden kann, um die Kraftstoffzufuhr zu steuern und bei einer Fremdzündung auch die Zündung anzusteuern.
Auch diese vorzugsweise elektro-mechanische Sensorik (Meßfühler 17, 18) kann in Verbindung mit einer entsprechenden Ausbildung des Reglers 11 zur Erfassung des Bewegungsablaufs der Kolben für die Betriebsregelung genutzt werden. Aus der Erfassung der jeweils erreichten Endposition der Kolben läßt sich das Verdichtungsverhältnis ableiten. Aus der Erfassung der Positionsänderung in Abhängigkeit von der Zeit läßt sich der Verlauf der Bewegungsgeschwindigkeit ermitteln, so daß auch hierüber für den Regler 11 die notwendigen Meßgrößen unmittelbar für eine "schnelle" Regelung zur Verfügung stehen. Für die Regelung eines konstanten, d. h. optimalen Betriebs der Freikolbenbrennkraftmaschine ist für den "schnellen" inneren Regelkreis im Regler 11 als vorgebbarer Sollwert das Verdichtungsverhältnis eingegeben. Das Verdichtungsverhältnis kann hierbei in Form eines lastabhängigen Kennfeldes abgelegt sein, so daß für unterschiedliche Lastfälle jeweils ein unterschiedlicher Sollwert für den Soll/Ist-Vergleich vorgebbar ist.
Die in Fig. 2 dargestellte Abwandlung der Einrichtung gem.
Fig. 1 besteht darin, daß anstelle von zwei Lineargeneratoren nur ein Lineargenerator 1.1 vorgesehen ist, der eine aus einer oder mehreren Spulen bestehenden Statorwicklung 2.1 aufweist. Der zugeordnete Läufer 4.1 ist mit den Kolben 6.1 und 7.1 starr gekoppelt.
Die ebenfalls starre Verbindung 19 zwischen den beiden Kolben 6.2 und 7.2 steht mit einem Richtungswechselgetriebe 20 in Verbindung, dessen Abtrieb 21 unmittelbar auf die starre Ver- bindung zwischen den beiden Kolben 6.1 und 7.1 einwirkt und so die Bewegungsenergie der Kolben 6.2 und 7.2 ebenfalls auf den Läufer 2.1 überträgt .
In Fig. 3 ist der Regelkreis in Form eines Blockschaltbildes in seiner Verknüpfung dargestellt. Die in Fig. 1 für die einzelnen Bauteile verwendeten Bezugszeichen sind in Fig. 3 in gleicher Weise verwendet.
Wie aus dem Blockschaltbild zu erkennen, stehen der Linearge- nerator 1, die Freikolbenbrennkraftmaschine 6, 7 und die Leistungsendstufen 10.1/10.2 in Wechselwirkung zueinander, wobei über den durch den Regler 11 über die Meßfühler 14, 15 und die Leistungsendstufen 10 gebildeten "schnellen" inneren Regelkreis bei einer sich abzeichnenden instabilen Betriebslage der Freikolbenbrennkraftmaschine die Statorwicklung und ggf. auch die Kraftstoffeinspritzdüsen 8, 9 angesteuert werden. Diesem inneren Regelkreis ist ein äußerer Regelkreis zugeordnet, durch den vom Meßfühler 16 die jeweils abgenommene (elektrische) Last vom Regler 11 erfaßt wird und entsprechend die Kraftstoffzumessung angepaßt wird.
Da ein Lineargenerator 1 bei Zufuhr von elektrischer Energie auch als Motor arbeiten kann, besteht bei der hier dargestellten Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie auch die Möglichkeit, die Freikolbenbrennkraftmaschine 6, 7 zu starten. Hierzu kann entweder der einem Verbraucher vorgeschaltete Speicher 13.1 in Form eines Akkumulators oder eines Kondensators eingesetzt werden. Sofern dieser als Pufferspeicher konzipierte Speicher 13.1 in seiner Kapazität nicht ausreicht, muß, wie bereits in Fig. 1 angedeutet, eine entspre- chende externe Stromquelle 12 eingesetzt werden. Auch dieser Startvorgang wird über den Regler 11 mit entsprechender An- steuerung der Leistungsendstufen 10 eingeleitet.
Die Funktionsweise der Regelung läßt sich wie folgt zusammen- fassen:
Die kontinuierliche Erfassung der mechanischen Zustandsgroßen (Kolbengeschwindigkeiten, Kolbenpositionen) liefert die Tra- jektorie oder Kolben im Zustandsraum.
Durch Abschätzung der aktuell im Arbeitstakt umgesetzten chemischen Energie aus der Trajektorie nach dem Umkehrpunkt der Kolben aus der "Totlage" ist eine "Vorhersage" der für einen stabilen Betrieb der Brennkraftmaschine notwendigen Energie- wandlung durch den Generator möglich, um einen vorgegebenen Zielzustand (Verdichtungsverhältnis, Arbeitsfrequenz der Brennkraftmaschine) kurz vor dem nächsten Verbrennungsbeginn zu erreichen. Durch die getaktete Spannungsbeaufschlagung während des Arbeitshubes kann der Generator auch kurzzeitig als Motor betrieben werden, so daß äußere Störeinflüsse auf den Bewegungsablauf der Kolben kompensiert werden. Insbesondere können Zündaussetzer erkannt und "überspielt" werden. Ermittlung der Schaltzeitpunkte und Schaltspannungen zur Realisierung der Energiewandlung durch den Generator, der durch die Freikolbenbrennkraftmaschine abgegebenen Energie, dabei kontinuierliche Beobachtung der Trajektorie und entsprechende Korrektur der Schaltzeitpunkte und -Spannungen.
Die Spannungen der Spulen der Statorwicklung werden über Halbleiterbrücken nach Maßgabe der Entscheidung des Regelal- gorithmus während eines Hubes der Brennkraftmaschine auf +Ub und/oder 0 und7oder -Üb geschaltet. Dabei kann entsprechend den aus der Sensorik gewonnenen Vorgaben des Reglers während eines Arbeitshubes für Bruchteile der Hubdauer ein Wechsel in der Spannungsbeaufschlagung zwischen +Ub und/oder —Üb oder auch kein Spannungswechsel erfolgen (Üb ist hier die Betriebsspannung). Damit werden während eines Hubes zur Stabilisierung des Betriebes der Brennkraftmaschine über den Generator die Kolben des gerade befeuerten Zylinders je nach Spannungsbeaufschlagung gebremst und/oder angetrieben oder können der Wirkung der Gaskräfte gegen die Lastabnahme des Generators folgen. Die vorgeschriebene Spannungsbeaufschlagung kann während eines Hubes wechseln, so daß die Kolbenbewegung entsprechend der vom Regler erfaßten Trajektorie und den vorgegebenen Werten für Verdichtung und Arbeitsfrequenz folgt.
Da die vom Generator auf die Brennkraftmaschine einwirkenden Magnetkräfte im Bereich der Umkehrpunkte deutlich kleiner sind als die Gaskraft, erfolgt die Energiewandlung hauptsäch- lieh im mittleren Bereich der Trajektorie (höhere Kolbengeschwindigkeit), d.h. jeweils vor dem Zündzeitpunkt.
Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit, die Freikolbenbrennkraftmaschine durch Resonanzanregung mit Hilfe des als Motor betriebenen Generators zu starten. Dies kann über den Raegler 11 mit demselben Algorithmus unter Verwendung der Sensorsignale geschehen. Insbesondere kann die Einspritzung unterdrückt werden, bis ein zündfähiges KompressionsVerhältnis erreicht ist.
Um die Brennkraftmaschine aus dem Ruhezustand heraus zu starten, ist es notwendig, eine Kalibrierung der Sensoren und eine Einstellung der Mittellage der Kolben vorzunehmen. Dies erfolgt unter Verwendung des Generators durch Verschieben der Kolben gegen mechanische Endanschläge. Die Kompressionswirkung kann dabei mit Hilfe der Schlitze ausgeschaltet werden.
Zum Abschalten des Systems können die Spulen der Statorwicklung gezielt so bestromt werden, daß nach Abschaltung der Einspritzung die Kolben symmetrisch zum Stillstand kommen. Insbesondere können die Kolben nach der letzten Verbrennung sofort zum Stillstand gebracht werden oder zusätzliche generatorgetriebene Spülzyklen ausführen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, die einen Generator mit we- nigstens einer mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbaren Statorwicklung und wenigstens einen Läufer aufweist, und mit einer Zweitakt-Freikolbenbrennkraftmaschine, die mit zwei gleichachsig hintereinander angeordneten Zylindern und jeweils einem gegenläufig zueinander bewegbaren Kolbenpaar je Zylinder versehen ist, bei dem jeweils sich in gleicher Richtung bewegende Kolben der beiden Kolbenpaare jeweils miteinander verbunden sind, wobei die Kolbenverbindungen mit dem Läufer des Generators in Wirkverbindung stehen, und einer regelbaren elektrischen Spannungsbeaufschlagung der Stator- Wicklung, wobei über eine Sensorik die Kolbenbewegung wenigstens eines Kolbenpaares in bezug auf die Position und/oder die Geschwindigkeit der beiden Kolben erfaßt wird und durch eine Regelung der Spannungsbeaufschlagung der Statorwicklung des Generators und/oder einer Regelung der Kraftstoffzumes- sung ein vorgebbares Verdichtungsverhältnis in den Zylindern der Freikolbenbrennkraftmaschine geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Generator erzeugte Spannung und/oder der erzeugte Strom erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach einem der Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regelung der Spannungsbeaufschlagung an dem Generator in Verbindung mit der Regelung der Kraftstoffzumessung der Bewegungsablauf der Kolben der Freikolbenbrennkraftmaschine gesteuert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Regelung in der Kraftstoffzumes- sung die relative Position der Kolbenpaare in ihrem zugehörigen Zylinder und/oder das Verdichtungsverhältnis beeinflußt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Generator ein Lineargenerator verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Stromversorgung vorgesehen ist, über die dem Generator mit entsprechender Regelung und Taktung elektrische Energie zum Starten der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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