EP2029859A1 - Freikolbenvorrichtung und verfahren zum betreiben einer freikolbenvorrichtung - Google Patents

Freikolbenvorrichtung und verfahren zum betreiben einer freikolbenvorrichtung

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EP2029859A1
EP2029859A1 EP07730207A EP07730207A EP2029859A1 EP 2029859 A1 EP2029859 A1 EP 2029859A1 EP 07730207 A EP07730207 A EP 07730207A EP 07730207 A EP07730207 A EP 07730207A EP 2029859 A1 EP2029859 A1 EP 2029859A1
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EP
European Patent Office
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piston
free
piston device
gas
space
Prior art date
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Application number
EP07730207A
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English (en)
French (fr)
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EP2029859B1 (de
Inventor
Sven-Erik Pohl
Cornelius Ferrari
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UMC Universal Motor Corp GmbH
Original Assignee
UMC Universal Motor Corp GmbH
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Publication date
Application filed by UMC Universal Motor Corp GmbH filed Critical UMC Universal Motor Corp GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP2029859B1 publication Critical patent/EP2029859B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/007—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in only one direction is obtained by a single acting piston motor, e.g. with actuation in the other direction by spring means

Definitions

  • the invention relates to a free-piston device comprising at least one piston receptacle in which at least one piston device is arranged to be linearly movable, wherein the at least one piston device is drivable under the action of a medium which expands in an expansion space, and wherein the at least one piston receptacle has a resilience space in which a compressible gas for exerting a restoring force is received on the at least one piston device, and at least one actuator for controlling and / or regulating the restoring force, which is arranged on the resilience space.
  • the invention further relates to a method for operating a free-piston device, wherein at least one piston device, which is guided linearly movable in at least one piston seat, under the action of a medium which expands in an expansion space, is driven, and in which at least one piston device by a compressible gas which is received in a resilience space of the at least one piston seat, a restoring force is exerted.
  • a free-piston device for example, chemical energy via combustion can be partially converted into mechanical energy, namely kinetic energy of a piston device, and this mechanical energy is released then in turn at least partially convert into electrical energy via a linear drive.
  • the piston movement as a free-piston movement, it is possible to realize a pure linear mobility of the pistons without having to provide a crankshaft.
  • Corresponding devices can be used, for example, as part of hybrid drives for motor vehicles and in particular in connection with serial hybrid concepts. They can also be used as a compact power generation unit for the generation of electricity or in connection with stationary application such as cogeneration units.
  • Free piston devices are known for example from GB 854 255 and DE 22 17 194 C3.
  • a free piston device with electric linear drive which comprises at least one piston receptacle with at least one in the piston receiving linearly movable piston device, wherein the piston device comprises a rotor device and on the piston receiving a stator device is arranged.
  • the at least one piston device is under the action of a medium, which in a Expansionsraum expands, driven, the piston stroke on the linear drive is variably adjustable so that the dead centers of movement of the piston device can be defined.
  • a free piston device in which a first displacement space, in which a piston is movable in the at least one piston device, on which the medium acts, and a second displacement space, in which the associated rotor device is movable, separate rooms are.
  • a free piston device with electric linear drive is from the
  • the free piston device has a Resilience space in which a gas is absorbed. At least one pressure sensor is provided on the resilience space with which the position and / or the speed of the piston device can be determined by measuring the pressure of the gas in the resilience space. By means of the measured pressure, a control and / or regulation of the free-piston device can thus be carried out, for example with regard to the injection of fuel into the expansion space, the ignition point of fuel in an expansion space and / or valves arranged on the expansion space.
  • Object of the present invention is to provide a free-piston device of the type mentioned, in which the free-piston device, in particular the movement of the at least one piston means in the at least one piston seat, in a simple manner is tunable.
  • the gas received in the resilience space can at least partially absorb mechanical energy from the (at least one) piston device by being compressed by it. Conversely, by expansion, it can deliver energy to the at least one piston device and thereby provides, via the provisioned restoring force, for a return of the at least one piston device. Both during compression by the at least one piston device and during expansion, the gas taken up in the resilience space exerts a force on the piston device due to its own gas pressure. The force counteracts the compression by the piston device.
  • the resilience space with the gas received therein thus has resilient properties and in particular forms a gas spring, wherein the restoring force is determined by the resilient properties of the resilience space. These are essentially determined by the way in which the gas is compressible by the piston device.
  • the return spring arranged actuator By means of the return spring arranged actuator, it is possible to control the restoring force emanating from the resilience space and / or to regulate. In this way, by means of the actuator influence can be taken as the gas in the resilience space is compressible by the piston device. As a result, the piston device can be influenced in its movement by adjusting the resilient properties of the resilience space. This makes it possible to tune the free-piston device in a simple manner. It is thereby possible to define an optimum operating point for the free-piston device in which, for example, the fuel is needed and / or the emission of pollutants is minimized. It is also conceivable to adapt the free-piston device to different fuels.
  • the at least one actuator can be designed in many ways, conceivable, for example, piston devices, flaps, control pins or the like.
  • the actuator may be self-controlled and / or regulated, for example by means of a control and / or regulating device.
  • the restoring force during operation of the free-piston device can be controlled and / or regulated.
  • the free piston device is in Operation tunable.
  • the control and / or regulation takes place according to a predetermined schedule.
  • Such a flowchart may be deposited, for example, in a control and / or regulating device. It is also possible that during operation of the free-piston device one or more parameters are detected on the current operating state of the free-piston device, based on the control and / or regulation of the restoring force.
  • the at least one actuator is movable. This makes it possible to perform the control and / or regulation of the restoring force in a structurally simple manner.
  • the at least one actuator displaces the gas absorbed in the resilience space by its movement.
  • the at least one actuator is detectably movable, because this simplifies a need-based control and / or regulation of the restoring force. For example, the at least one actuator can be determined if no change of the restoring force should take place. This also allows a control and / or regulation in several and / or different sized steps.
  • the at least one actuator is displaceable.
  • the displacement direction of the at least one actuator is parallel to the direction of movement of the at least one piston device. It is advantageous if the drive is assigned to the at least one actuator for movement. This makes it possible to precisely move and position the at least one actuator by means of the drive.
  • the drive may be a mechanical and / or pneumatic and / or hydraulic and / or electric drive.
  • the drive is controllable. This makes it possible to provide the drive with a signal from the outside and to effect a defined movement of the at least one actuator.
  • a control and / or regulating device may be provided for controlling the drive.
  • the control and / or regulating device can control the drive, for example, according to a predetermined schedule or as a function of a signal supplied from the outside to the control and / or regulating device.
  • At least one actuator is designed as a wall section delimiting the resilience space.
  • the delimiting wall section may in this case be arranged on the piston receptacle, that is to say, for example, on a wall region of the piston receptacle.
  • the limiting wall section it is possible for the limiting wall section to be arranged in the interior of the at least one piston receptacle.
  • the wall portion of an end face of the opposite at least one piston seat is advantageous if the wall portion of an end face of the opposite at least one piston seat.
  • the return spring force can be adjusted in a structurally simple manner.
  • the wall portion is formed by a piston surface.
  • a trained in this way wall section and thus also an actuator formed in this way has particularly favorable properties.
  • the piston surface is preferably formed by a surface of a control piston, which is arranged in the piston receiving movable and in particular displaceable.
  • the resilience space of the piston receptacle can be arranged between the piston surface and the piston device.
  • the control piston makes it possible to vary the gas volume in the resilience space (for example, based on a minimum gas volume or a maximum gas volume) by means of the control piston and in this way to change the resilient properties of the resilience space and thereby the restoring force.
  • the direction of movement of the piston device and the direction of displacement of the control piston can run parallel to one another and, for example, parallel to an axis of symmetry of the piston receptacle.
  • At least one position sensor which cooperates with the at least one actuator. In this way, information about the position of the at least one actuator can be detected. It can be provided that the position sensor is arranged on the piston receptacle. It is also conceivable that it is located directly on the actuator. For example, the position sensor can be formed as an optical or mechanical sensor.
  • the at least one position sensor is designed such that the position of the at least one actuator relative to the at least one Piston receptacle is detected. This allows in particular to control the position of the actuator relative to the piston receiving. Since the piston receptacle comprises the resilience space, the position of the actuator with respect to the resilience space is controllable in this way.
  • the at least one position sensor is designed so that a movement of the at least one actuator can be detected.
  • a control and / or regulating device is provided, by means of which the free-piston device is controllable and / or controllable.
  • the control and / or regulating device can be used to control and / or regulate the injection of fuel into the expansion space, the ignition time of fuel in the expansion space and valves arranged on the expansion space for air intake or for the emission of exhaust gases.
  • the restoring force is controllable and / or controllable by means of the at least one actuator via the control and / or regulating device. This allows, for example, the use of only one control and / or regulating device for the free-piston device.
  • the restoring force can be controlled and / or regulated in accordance with a signal of a position sensor. This represents a simple one
  • the position sensor, the control and / or regulating device for example Provide information about the position and / or movement of the actuator of the free-piston device. This allows, for example, to control a drive via the control and / or regulating device in order to move the actuator or to stop an existing movement.
  • the resilient properties of the resilience space and thus also the restoring force can be influenced, in particular controlled and / or regulated.
  • At least one pressure sensor is preferably arranged on the resilience space. This makes it possible to measure the pressure in the resilience space, that is to say the pressure of the gas absorbed in the return spring.
  • the pressure sensor may be arranged on an end face, in particular on an end wall, of the piston receptacle.
  • the pressure of the gas in the resilience space is related to the restoring force applied to the piston by the gas.
  • the at least one pressure sensor is designed such that the pressure in the resilience space can be measured in a time-resolved manner. This can also determine the change in pressure in the resilience space. In this way, the change in the restoring force can be determined.
  • an electric linear drive is provided.
  • electrical energy can be generated by means of the free-piston device.
  • the electric linear drive can also be used to control and / or regulate the movement of the piston device, as described in US Pat
  • the at least one piston device then preferably comprises a rotor device, and a stator device is preferably arranged on the at least one piston receiver.
  • the rotor device is magnetised.
  • an electrical voltage is induced in the stator device. Accordingly, can be acted upon by current application of the stator to the piston device.
  • the piston stroke can be variably adjusted via the linear drive such that the dead points of the movement of the at least one piston device can be defined.
  • the invention is further based on the object to improve the aforementioned method so that thus the free piston device, in particular the movement of the at least one piston device in the at least one piston seat, in operation is easily tuned.
  • This object is achieved in a generic method according to the invention in that the restoring force is controlled and / or regulated during operation of the free-piston device by the set value of at least one state size of the gas in the reset space is set, the actual value of at least one state variable is detected and at Deviation from the target value is at least approximately matched to the same.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the free-piston device according to the invention.
  • the restoring force is controlled and / or regulated during operation of the free-piston device.
  • the free-piston device is tunable, in particular the movement of the (at least one) piston device in the (at least one) piston receptacle, without interrupting the operation of the free-piston device.
  • the gas pressure in this case represents a state variable of the gas.
  • Further preferred state variables of the gas are, for example, the temperature, the volume and the number of particles in the gas, which is linked to the gas mass. These are in each case related to the gas pressure via the equation of state of a gas. In this way, for example, the temperature, the volume and the mass of the gas can be set in relation to the restoring force exerted by the gas on the piston device.
  • the actual value of at least one state variable is detected and at least approximately matched to a predefinable setpoint value of at least one state variable.
  • the pressure in the resilience space corresponds to the pressure of the gas in the springback room.
  • the pressure is a state variable whose setpoint can be specified. It can be determined by time-resolved measurement of the pressure, if the actual value of the pressure deviates from the nominal value.
  • At least one actuator is moved.
  • a piston is displaced.
  • the position of the at least one actuator or the piston is measured time-resolved. This provides, for example, the ability to quantitatively relate a pressure or pressure change of the gas to the position or movement of the at least one actuator or piston.
  • the control and / or regulation of the restoring force via the adjustment of the gas mass in the resilience space can be increased or decreased. It is clearly linked to the number of particles in the gas, which is a state variable of the gas.
  • the control and / or regulation of the return force is effected via the adjustment of the gas quantity in the resilience space.
  • the amount of gas can be related for example via the gas density with the gas mass, which in turn is linked to the number of particles in the gas. It is particularly favorable if gas is supplied to the resilience space or if gas is removed from the resilience space. This makes it possible to adjust the gas mass and / or the amount of gas in the resilience space in a technically simple manner.
  • At least one valve is preferably actuated.
  • actuating the at least one valve it is for example possible to open a gas line, so that gas is supplied to the resilience space or discharged from it. This makes it possible to adjust the gas mass and / or the gas quantity and the state variable associated with these variables, namely the particle number in the gas.
  • the pressure in the resilience space is controlled and / or regulated by means of a position of at least one actuator and / or a piston and / or by means of a position of at least one valve. In this way, the pressure is technically particularly easy to control and / or regulated.
  • the state variables of a gas are not independent of each other, but linked together by the equation of state of the gas.
  • the pressure of a gas is proportional to the gas mass and inversely proportional to the amount of gas. This gives the possibility to express the gas mass and / or amount of gas by the gas pressure. If a valve arranged on the resilience space is actuated, then the gas mass and / or gas quantity in the resilience space and consequently also the pressure in the return space can be varied.
  • the pressure in the resilience space can be controlled and / or regulated in a technically simple manner.
  • the restoring force is controlled on a time scale greater than a working period and / or regulated. This reduces the technical complexity with which such a control and / or regulation is to be carried out.
  • the restoring force is controlled and / or regulated over at least three working periods.
  • Figure 1 a schematic representation of an embodiment of a free piston device according to the invention, partially in section;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a free-piston device for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic pressure-time diagram for a compression chamber of a free-piston device according to FIG. 1 or FIG. 2.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a free-piston device according to the invention and in particular free-piston combustion device, which is shown in FIG. 1 and designated therein as 10, comprises a cylinder with a cylinder housing as the piston receptacle 12.
  • the cylinder housing 14 has a first end wall 16, which has a first end side 18 of the piston receptacle 12 forms. Opposite the first end wall 16, the piston receptacle 12 is bounded by a second end wall 20, which forms a second end face 22 of the piston receptacle 12.
  • a piston device 26 is positioned linearly displaceable.
  • the piston device 26 is substantially rotationally symmetrical with respect to an axis 28 of the cylinder housing 14, at least with regard to its external shape.
  • the direction of movement of the piston device 26 is parallel or coaxial with this axis 28.
  • the piston device 26 comprises a first piston 30 with a first piston surface 32, which faces the first end face 18.
  • the piston device 26 further comprises a first piston 30 spaced second piston 34 having a second piston surface 36, which faces the second end face 22 of the piston seat 12.
  • the second piston 34 essentially serves to support the first piston 30.
  • Pistons 30, 34 are connected via a holding structure 38 fixed and in particular rigidly connected to each other. As a result, a piston pair is formed on the piston device 26.
  • the holding structure 38 includes, for example, a piston rod 40.
  • an expansion chamber with an expansion space 42 is formed between the first end face 18 of the piston receptacle 12 and the first piston 30, an expansion chamber with an expansion space 42 is formed.
  • the expansion chamber is in particular a combustion chamber and the expansion space is a combustion chamber.
  • a medium is expandable to drive the piston device 26 in its linear movement.
  • the expanding medium is fuel gases; These are generated in particular by a combustion process in the expansion space 42.
  • the dimensions of the expansion space 42 are determined by the piston stroke of the piston device 26, that is, the volume and the (inner) surface of the expansion space 42 are determined by the position of the first piston 30.
  • the expansion space 42 are one or more in particular electrically controllable inlet valves 44 and one or more in particular electrically controllable exhaust valves 46 assigned.
  • the intake of air and the discharge of particular combustion products can be targeted in time Taxes.
  • a suction line 50 leading into the expansion space 42 is connected to a loader 52.
  • the suction line 50 can be opened or closed by means of the (at least one) inlet valve 44.
  • an exhaust pipe 54 leads to the loader 52.
  • the loader 52 itself has a supply 56, in particular for intake air and a discharge 58 for exhaust gases.
  • the supercharger 52 may, for example, be a pressure wave supercharger in which the energy of the exhaust gas flow from the expansion space 42 is used to compress the charge air (intake air). With such a pressure wave loader, pressure waves and suction waves of the pulsating exhaust gases suck in fresh air and compress it. This compression takes place in direct contact with the exhaust gases.
  • a constant oscillating displacement movement of the piston device 26 takes place.
  • the advantage of a pressure wave loader is that it has only a small amount of energy.
  • the total system of the supercharger 52 of the piston device 26 with its associated expansion space 42 can be due to the constant period for the oscillating movement of the piston device 26 interpret exactly to an optimal operating point, in turn, the charger 52 can be designed.
  • At least one pressure sensor 60 is arranged on the expansion space 42 in one embodiment. It is preferably a piezoelectric sensor.
  • the pressure sensor 60 is arranged on the first wall 16, which may have a recess in which the pressure sensor 60 is seated.
  • the pressure sensor 60 is aligned with the first piston 30.
  • an active sensor surface of the first piston surface 32 to.
  • the pressure in the expansion space 42 can be detected via the pressure sensor 60.
  • the pressure in the expansion space 42 can be determined in a time-resolved manner via the pressure sensor 60.
  • a temperature sensor 62 can be provided on the expansion space 42, with which the temperature in the expansion space 42, preferably also time-resolved, can be determined.
  • the pressure sensor 60 and the temperature sensor 62 may be connected to the control and / or regulating device 48 via signal lines. As a result, they can transmit their signals to the control and / or regulating device 48.
  • an injection device 64 is further arranged. Fuel can be coupled into the expansion space 42 via this injection device 64. In this case, the injection device 64 can be controlled and / or regulated by the control and / or regulating device 48, for example.
  • an ignition device 66 is arranged on the expansion space 42, with which a fuel located in the expansion space 42 can be ignited.
  • the ignition device 66 can also be controlled and / or regulated via the control and / or regulating device.
  • the free-piston device 10 comprises an electric linear drive, indicated as a whole by 68, which has a rotor device 70.
  • the rotor device 70 is arranged on the piston device 26. It is moved with the piston device 26.
  • the electric linear drive 68 further comprises a stator device 72, which is arranged on the piston receptacle 12 outside of the cylinder housing 14. About them can induce voltages to generate electrical energy or it can be the piston device 26 influence accordingly.
  • the rotor device 70 comprises, for example, magnetic elements 74 and flux-conducting elements 76, which are arranged alternately on the holding structure 38 between the pistons 30 and 34.
  • the holding structure 38 comprises, for example, a cylindrical carrier 78, on which the magnetic elements 74 and the flux-conducting elements 76 are seated.
  • the cylindrical support 78 is held on the piston rod 40 and in particular integrally connected thereto. The connection takes place via radially extending, spaced strips or disks 80.
  • the radial direction is perpendicular to the axial direction 28.
  • the strips or disks 80 are spaced apart in the axial direction 28.
  • a gap 82 is formed between adjacent strips or disks 80;
  • the support structure 38 is thereby not made of a solid material, so that the mass of the piston device 26 is reduced compared to a production of a solid material.
  • the magnetic elements 74 may be permanent magnet elements, which are in particular disk-shaped rotationally symmetrical about the axis 28. In principle, it may also be electromagnetic elements which accordingly comprise, in particular, turns arranged concentrically about the axis 28. In this case, a corresponding device must be provided in order to be able to transmit energy to these electromagnetic elements. This can be done, for example, inductively or via slip rings.
  • the flux guides 76 are also disc-shaped and made of a high magnetic permeability material. For example, iron is used or magnetically permeable powder composite materials are used.
  • the magnetic elements 74 in particular when it comes to permanent magnet elements, and the flux guide elements 76 are formed so that they have a central opening with which they can be pushed onto the carrier 78 during the production of the piston device 26.
  • the magnetic elements 74 are formed and in particular magnetized so that in a flux guide 76, the field lines of the adjacent magnetic elements 74 are concentrated, thus increasing the magnetic power seal of the system.
  • the magnetic elements 74 are arranged in parallel so that equal poles of adjacent magnetic elements 74 assign each other.
  • an outer surface of the rotor device 70 is designed so that it is designed tooth-shaped in a cross-section of the axis 28 of a cylinder wall facing inner side.
  • the rotor device 70 has changing magnetic conductivities, via which a drive for the piston device 26 can be generated.
  • the stator device 72 comprises main ring windings 84, which are arranged outside the cylinder housing 14 surrounding this.
  • main ring windings 84 a voltage is induced during relative movement of the magnetized rotor device 70, with electrical energy being able to be coupled out. It is thereby provided a power generating device, which is based on the principle of free piston guide (linear movement of the piston device 26).
  • the stroke of the piston device 26 can be controlled and / or regulated via the control and / or regulating device 48. In particular, it is possible to carry out such a control / regulation that the location of the piston device 26 is fixed at any time.
  • the point of reversal of the piston movement of the first piston 30 can be adjusted as required, in order in turn to be able to set the dimensions of the expansion space 42.
  • the linear drive 68 so that the piston stroke can be adjusted depending on the load condition;
  • the compression can be adjusted, and it can adjust the speed of the piston device 26.
  • This makes it possible to optimally set the expansion space 42 (in terms of volume and surface as well as volume change and surface change), depending on the load condition. In particular, this allows the volume of the expansion space 42 and the respective surface of the expansion space 42 to be adapted to the application.
  • a piston stroke and compression can be set, depending on whether, for example, a fuel such as diesel or vegetable oil is used with auto-ignition or a fuel such as gasoline, natural gas or hydrogen is used as fuel with ignition by an igniter.
  • the piston device 26 can be influenced in its linear displaceability in order to be able to precisely determine the location of the reversal points of the piston movement of the piston device 26 for the expansion space 42.
  • one or more secondary windings are arranged around the cylinder housing 14. These are electrically isolated from the main ring windings 84 of the stator device 72.
  • the sub-windings are, for example, arranged around the main ring windings 84, that is to say they surround them. They can also be arranged next to main ring windings 84 (in particular in the axial extension of a ring winding axis of the main ring windings 84).
  • another power can be decoupled, for example, to provide a 12 V / 24 V or 36 V / 42 V electrical system of a motor vehicle with power.
  • the number of turns of the secondary windings is adjusted accordingly.
  • Such secondary windings are preferably followed by a rectifier in order to be able to generate a rectified current accordingly.
  • a cooling device 88 comprising cooling channels 86 is arranged around the stator device 72 in order to cool the active components of the free-piston device 10 (with linear drive 68);
  • the piston device 26, the piston receptacle 12 and the main ring windings 84 belong to these active components.
  • heat is coupled out of the corresponding cooling device 88 in order to use it in thermal engineering applications, for example for a vehicle heating system or a block heating plant.
  • a compression space in the form of a resilience space 90 is formed between the second piston 34 of the piston device 26 and the second end face 22 of the piston seat 12.
  • the resilience space 90 does not occupy the entire volume of the cylinder housing 14 between the second piston surface 36 and the second end wall 20.
  • the resilience space 90 is limited by the second piston surface 36, the walls of the cylinder housing 14 along wall portions 92 and 94 and a wall portion 96 which is formed by a piston surface 98 of a control piston 100.
  • the piston surface 98 in this case comprises the entire wall portion 96 of the resilience space 90. It forms an actuator of the free-piston device 10, whose operation will be explained in more detail below.
  • the piston surface 98 is positioned between the second piston surface 36 and the second end wall 20 of the piston receptacle 12. It lies opposite the second end face 22 and is in particular parallel to the second end wall 20 oriented. In this way, the piston surface 98 limits the resilience space 90 at the end, based on their orientation within the cylinder housing 14.
  • the resilience space 90 is formed in the piston receptacle 12 between the second piston 34 of the piston device 26 and the control piston 100, and limited in the longitudinal direction of the piston seat 12 of the second piston surface 36 of the second piston 34 and the piston surface 98 of the control piston 100.
  • a compressible fluid is received, in particular a gas such as air.
  • the gas in the resilience space 90 can at least partially "elastically” absorb mechanical energy that was not coupled by the linear drive 68 during an expansion stroke of the piston device 26. This is done by compression of the gas by the piston device 26.
  • the gas in the resilience space 90 can expand and in this way drive the piston 26 back.
  • the stored energy may thus be used for compressing the fuel-air mixture in a two-stroke operation or for discharging the exhaust gases in a four-stroke operation, when combustion takes place in the expansion space 42 to produce the expanding medium.
  • the gas in the resilience space 90 thus forms a gas spring, which can absorb mechanical energy of the piston device 26 with high reversibility, and which can deliver energy to the piston device 26 by expansion.
  • a pressure sensor 102 is arranged, which is arranged on the piston surface 98 of the control piston 100.
  • the piston surface 98 has for this purpose a recess in which the pressure sensor 102 is arranged.
  • the pressure sensor 102 assigns the second piston surface 36 of the second piston 34, in particular with an active sensor surface.
  • the pressure sensor can be arranged, for example, on one of the wall regions 92 or 94 between the second piston surface 36 and the piston surface 38.
  • the pressure in the resilience space 90 can be measured.
  • the pressure can be measured by the pressure sensor 102 in a time-resolved manner.
  • the pressure sensor 102 is preferably a piezoelectric sensor.
  • a temperature sensor 104 can be arranged on the resilience space 90, which, for example, can be arranged in a recess of the piston surface 98 of the control piston 100, similar to the pressure sensor 102.
  • the temperature in the resilience space 90 can be measured.
  • the pressure sensor 102 and the temperature sensor 104 can transmit their measuring signals to the control and / or regulating device 48 via signal lines.
  • the control piston 100 is movably mounted in the piston receptacle 12, in particular it is mounted in this linearly displaceable. In this way, the piston surface 98 in the cylinder housing 14 by means of the control piston 100 is movable and in particular linearly displaceable.
  • the displacement direction is parallel or coaxial with the axis 28 and parallel to the direction of displacement of the piston device 26.
  • the gas volume is minimal when the piston assembly 26 is at its top dead center TDC with respect to the piston surface 98, and it is maximum when the piston assembly 26 is at its bottom dead center BDC with respect to the piston surface 98.
  • the control piston 100 is associated with a drive device 108.
  • the control piston 100 is for this purpose via a holding device 106 with the drive means 108 in connection.
  • the holding device 106 includes, for example, a piston rod 109, which can pass through the second end wall 20 of the piston receptacle 12.
  • the holding device 106 may be designed to be rigid, as a result of which the control piston 100 can be moved in the piston receptacle 12 by means of the drive device 108 and, in particular, can be displaced linearly.
  • the drive device 108 includes, for example, a hydraulic system for moving the control piston 100. Also conceivable, for example, are a pneumatic drive and / or an electric drive.
  • the control and / or regulating device 48 is connected to the drive device 108 via a control line so that it can be activated and, in particular, controlled by the control and / or regulating device 48. In this way, for example, the position of the control piston 100 by the control and / or regulating device 48 can be predetermined.
  • the free-piston device 10 has a position sensor 110 with which the position of the holding device 106 relative to the piston receptacle 12 can be detected. In this way, the position and a movement of the control piston 100 and thus also the piston surface 98 can be detected by the position sensor 110.
  • the position sensor 110 is arranged, for example, near the second end wall 20 of the cylinder housing 14, and an active sensor surface may be directed in the direction of the holding device 106.
  • the position sensor 110 of the control and / or regulating device 48 can provide its measuring signal via a signal line.
  • the position sensor 110 for example on the piston surface 98, wherein an active sensor surface can assign the second piston surface 36.
  • the position sensor can be realized, for example, as an optical sensor.
  • a mechanically operating position sensor which is mechanically coupled to the holding device 106, for example.
  • the position sensor 110 may also be integrated into the drive device 108.
  • the resilience space 90 is closed gas-tight.
  • the second piston 34 of the piston device 26 and the control piston 100 for this purpose include seals 112, for example in the form of polymer seals. These ensure a high tightness of the resilience space 90 even at high pressures of the gas inside.
  • a gas line 114 is arranged, which may be guided, for example, in a bore of the control piston 100.
  • the gas line 114 has an opening 116 which is arranged on the piston surface 98.
  • the gas line 114 can be opened and closed defined by means of a valve, not shown in the drawing.
  • the resilience space 90 can then, for example, be in fluid-effective connection with a gas accumulator (not shown in the drawing).
  • the gas line 114 may be formed as a filling line for the resilience space 90. This gives the possibility to keep the amount of gas in the resilience space 90 constant.
  • the free-piston device 10 functions as follows:
  • certain reversal points (top dead center OT and bottom dead center UT) of the piston device 26 are adjusted by appropriate application of current in order to define the volume and the surface of the expansion space 42 and in particular of a combustion chamber. Furthermore, the speed of the piston device 26 is determined and overall the compression. This setting is made depending on the load (partial load or full load), fuel (gasoline, natural gas, hydrogen, diesel, vegetable oil, etc.) and any other external parameters.
  • an electric preheating takes place and also the cooling water of the cooling device 88 is preheated.
  • This preheating can take place via the linear drive 68 by using corresponding windings, for example the main ring windings 84, as heating elements. But it can also be provided own heating coils.
  • the piston 30, 34 can be substantially linearly in the piston receiving 12 lead tilt-free.
  • the pistons 30, 34 also serve to seal the expansion space with respect to the resilience space 90.
  • the suction of air and the discharge of the exhaust gases can be controlled specifically.
  • the efficiency of the overall system and the quality of the exhaust gas can be improved; by precise adjustment of the timing over time and the duration in terms of gas exchange (flow through the inlet valve 44 and the exhaust valve 46) can take place a precise adjustment between the individual time-critical operations.
  • the speed of the piston device 26 can also be controlled or regulated, even during the expansion process, the formation of exhaust gases can be influenced.
  • the inlet valve 44 is arranged and designed such that sucked air and resulting gas flows are guided along inner cylinder walls so as to obtain an optimized gas exchange rinsing process.
  • the suction and compression of air and the discharge of exhaust gases is preferably carried out via the loader 52.
  • the ignition of the medium in the expansion space 42 by the control and regulating device 48 in accordance with the signal one of the pressure sensors 60 or 102 can be controlled and / or regulated.
  • valves 44, 46, the injection device 64 and / or the ignition device 66 can be controlled and regulated.
  • This control and / or regulation can be carried out such that a substantially stoichiometric combustion in the expansion space 42 is possible.
  • Such a control and / or regulation is disclosed for example in DE 10 2004 062 440 B4 of the same Applicant, to which reference is expressly made.
  • the stator device 72 is cooled via the cooling device 88.
  • the cooling device 88 can also cool other parts of the piston receptacle 12 and, for example, the piston device 26.
  • the pistons 30, 34 are lubricated for example via a simple splined lubrication, so that no oil pump is required. The pistons 30, 34 then move in an oil bath which is agitated by the agitation to ensure a sufficient lubrication oil supply.
  • the pistons 30, 34 can be produced with a minimized side surface facing the cylinder housing 14, that is to say piston covers can be made short, since the piston pair with the first piston 30 and the second piston 34 ensures a mutual supporting action. As a result, friction losses during the movement of the piston device 26 can be minimized.
  • pistons 30, 34 also from non-metallic materials such as ceramic materials or from graphite or, for example, glass fiber-reinforced carbon materials.
  • non-metallic materials such as ceramic materials or from graphite or, for example, glass fiber-reinforced carbon materials.
  • Such pistons can do without lubrication.
  • the rotor device 70 with alternatingly arranged magnetic elements 74 and flux-conducting elements 76 makes it possible to achieve a high magnetic power density of the system. In particular, can be high
  • the gas in the resilience space 90 can absorb mechanical energy from the piston device 26 by being compressed by the piston device 26. In this case acts between the piston means 26, mediated by the second piston 34, and the gas in the resilience space 90, a force by means of which the gas is compressible by the piston means 26. Conversely, the gas in the resilience space 90 can deliver energy to the piston device 26 by expanding it and driving the piston device 26 in the direction of the end face 18 of the piston receptacle 12. Also in this case, a force acts between the gas and the second piston 34 of the piston device 26.
  • the gas in the resilience space 90 exerts at any time as a result of its gas pressure p a compression by the piston means 26 counteracting return force F on the piston device 26 from.
  • the restoring force F exerted by the gas is for example proportional to the pressure p of the gas.
  • the proportionality constant is the area A, on which the restoring force F acts.
  • the restoring force F can therefore be represented as a product p • A.
  • This relationship between the return force F and the gas pressure p makes it possible to express the force exerted by the gas on the second piston 34 restoring force F by means of the gas pressure p.
  • the gas pressure p corresponds to the internal pressure of the resilience space 90.
  • the free-piston device 10 has, as already mentioned, the actuator formed as a piston surface 98, with which the restoring force F can be controlled and / or regulated.
  • the piston surface 98 in this case forms a wall portion 96 bounding the resilience space.
  • the restoring force F can be controlled and / or regulated, for example, by the fact that the gas pressure p in the resilience space 90 can be controlled and / or regulated.
  • the gas pressure p can be varied by adjusting the gas volume by moving and / or positioning the control piston 100, and thus in particular the piston surface 98 in the piston receptacle 12, and in particular adjusting the minimum and maximum gas volumes.
  • the gas pressure p can be measured by means of the pressure sensor 102 and provided to the control and / or regulating device 48.
  • the oscillation frequency of the piston device 26 during operation of the free piston device 10 in the order of 50 Hz.
  • a piezoelectric sensor for the pressure sensor 102 can reach the necessary response time to measure the gas pressure p with sufficient accuracy and time resolved.
  • control piston 100 and the actuator formed as a piston surface 98 can be moved by means of the drive means 108 and in particular move. In this way, the gas pressure p in the resilience space 90 is variable.
  • control and / or regulating device 48 of the drive device 108 provides a control signal dependent on the gas pressure p.
  • the drive device 108 may then perform the movement of the control piston 100 in response to the provided signal. In this way, the movement of the control piston is controllable and thus the gas pressure p in the resilience space 90 controllable.
  • the position sensor 110 By means of the position sensor 110, the position of the holding device 106 and in this way the position and / or the movement of the piston surface 98, with respect to the piston receptacle 12 can be detected.
  • the measurement signal of the position sensor 110 may be provided to the control and / or regulating device 48. This makes it possible to construct a control loop in which the gas pressure p is regulated as a function of the position and / or movement of the control piston 100.
  • the gas pressure p of the gas in the return spring space 90 can be controlled and / or regulated, the restoring force F exerted by the gas on the piston device 26 can thus also be controlled and / or regulated.
  • the free-piston device 10 it is possible with the free-piston device 10 according to the invention to carry out the control and / or regulation of the restoring force F during operation of the free-piston device 10.
  • FIG. 3 A schematic pressure-time diagram for the gas pressure p in the resilience space 90 is shown in FIG. 3.
  • the gas pressure p in the resilience space 90 is shown schematically by the curve 118.
  • the gas pressure p oscillates according to the oscillating movement of the piston device 26 between a maximum pressure p ma classroom and a minimum pressure p min with a period T.
  • the maximum pressure p max is reached at top dead center OT of the piston device 26 with respect to the piston surface 98
  • the minimum pressure p min is reached at the bottom dead center UT of the piston device 26 with respect to the piston surface 98.
  • the control and / or regulation of the restoring force F exerted by the gas in the resilience space 90 on the piston device 26 makes it possible to tune the movement of the piston device 26. This makes it possible to set an optimum operating point of the free-piston device 10. At this optimum operating point, for example, the fuel may be required and / or the emission of pollutants may be minimized.
  • the regulation of the gas pressure p advantageously takes place over several, preferably at least three, periods T of the oscillation movement of the piston device 26. This reduces the technical requirements for the components of the free-piston device 10.
  • the free-piston device 10 By means of the free-piston device 10, it is possible to carry out a method according to the invention, in which the restoring force F is controlled and / or regulated during operation of the free-piston device 10, wherein the setpoint value at least one state variable of the gas in the resilience space 90 can be predetermined, the actual value of the at least one state variable is detected and, if it deviates from the desired value, it is at least approximated to the same.
  • the gas pressure p in the resilience space 90 is used as the state variable of the gas, the desired value of which can be predetermined so that a specific operating point of the free-piston device 10 can be achieved. If the actual value of the gas pressure p deviates from the nominal value, then the control and / or regulating device 48 can activate the drive device 108, as a result of which the gas pressure p in the resilience space 90 can be controlled and / or regulated, as described above.
  • the nominal value of the gas pressure p may in this case be defined, for example, as a mean pressure during operation, or as a pressure at fixed times of operation of the free-piston device 10, for example the pressure p max at the top dead center TDC or the pressure p mm in the bottom Dead center UT ( Figure 3).
  • FIG. 2 Another free piston device for carrying out the method according to the invention is shown in FIG. 2 as a whole with the reference numeral 150.
  • the piston device 26 is arranged displaceably in a piston receptacle 152.
  • the piston housing 152 is formed by a cylinder housing 154.
  • the cylinder housing 154 has a first end wall 156 which forms a first end face 158 of the piston housing 152.
  • the first end wall 156 is opposed by a second end wall 160, which forms a second end face 162 of the piston receptacle 152.
  • the piston device 26 is positioned in an interior 164 of the cylinder housing 154.
  • a compression space in the form of a resilience space 166 is formed between the piston surface 36 of the piston 34 and the end wall 160.
  • a compressible fluid in particular a gas such as air, added.
  • the gas can be compressed by the movement of the piston device 26 and thereby at least partially absorb energy "elastically", which was not decoupled from the linear drive 68 during an expansion stroke. Accordingly, the gas in the resilience space 166 can release the energy, for example, by expanding and driving the piston device 26 in the direction of the end wall 156.
  • the pressure sensor 102 is arranged. For example, it is arranged on the second end wall 160.
  • the second end wall 160 may have a recess for this purpose, in which the pressure sensor 102 is arranged.
  • an active sensor surfaces of the piston surface 36 of the piston 34 may be facing.
  • the temperature sensor 104 is arranged on the resilience space 166. By means of the temperature sensor 104, the temperature in the resilience space 166 can be detected.
  • the second end wall 160 has at least one opening, on which at least one valve is arranged.
  • the end wall 160 has a first opening 168, which is associated with an inlet valve 170, and a second opening 172, which is associated with an outlet valve 174.
  • the first opening 168 of the resilience space 166 can be opened and closed by means of the inlet valve 170, and the second opening 172 of the resilience space 166 can accordingly be opened and closed by means of the outlet valve 174.
  • the intake valve 170 and the exhaust valve 174 may be controlled in time by the control and / or regulating device 48.
  • the inlet valve 170 and the outlet valve 174 may be magnetically and / or electrically and / or mechanically actuated. In particular, it can be valves with a short switching time, preferably up to a few milliseconds. Valves with a switching time of a few milliseconds are produced, for example, by the company "Lotus Engineering”.
  • a gas quantity sensor in the form of a volume flow sensor 180 is arranged in the supply line 176.
  • the volume flow sensor 180 may provide its measurement signal to the control and / or regulating device 48 via a signal line.
  • the gas pressure in the gas reservoir 178 is greater than the gas pressure p in the resilience space 166.
  • a certain amount of gas can flow from the gas reservoir 178 through the supply line 176 into the resilience space 166.
  • This gas flow results from the pressure gradient between the gas pressure p in the return spring chamber 166 and the pressure in the gas reservoir 178.
  • This quantity can be detected by means of the volumetric flow sensor 180 and communicated to the control and / or regulating device 48.
  • a gas line in particular a discharge line 182 leads from the resilience space 166 to a gas reservoir, for example a gas reservoir 184.
  • a gas reservoir for example a gas reservoir 184.
  • a volume flow sensor 186 is arranged in the discharge line 182, which can detect a gas flowing through the discharge line 182 amount of gas.
  • the volume flow sensor 186 of the control and / or regulating device 48 can provide its measuring signal via a signal line.
  • the gas pressure in the gas reservoir 184 is less than the pressure in the springback 166.
  • opening the exhaust valve 174 flows due to the pressure gradient a certain amount of gas from the resilience space 166 through the discharge line 182 to the gas storage 184.
  • the amount of gas can by means of the volume flow sensor 186 are detected and communicated to the control and / or regulating device 84.
  • more gas can be supplied to the resilience space 166, so that the gas mass and the gas quantity in the resilience space 166 increase. Conversely, gas can be removed from the resilience space 166 so that the gas mass and the gas quantity in the resilience space 166 are reduced.
  • a variant of the free-piston device 150 has only one valve arranged on the return spring chamber 166, after the opening of which gas can be supplied to the return spring chamber 166 or removed therefrom.
  • the method according to the invention can be carried out with the free-piston device 150 as follows:
  • the restoring force F exerted by the gas in the resilience space 166 on the piston device 26 is proportional to the gas pressure p in the springback space 166.
  • the restoring force F can be expressed by means of the gas pressure p.
  • the pressure p in the resilience space 166 here is a state variable of the gas. Its desired value can be predetermined and can be given for example by a desired operating point of the free-piston device 150.
  • the set point may be a medium pressure, but it is also possible that it is a defined at fixed times during operation of the free-piston device 150 pressure.
  • the actual value of the pressure can be measured by means of the pressure sensor 102.
  • the inventive method provides that the actual value is at least approximately equalized to the desired value.
  • the gas pressure p is proportional to the gas mass m of the gas. This makes it possible to adjust the gas pressure p (for example relative to a fixed position of the piston device 26) in the springback space 166 by means of the gas mass in the springback space 166.
  • the gas mass m in the resilience space 166 can be increased by opening the inlet valve 170 by flowing gas from the gas reservoir 178 through the supply line 176 into the resilience space 166. This increases the gas pressure in the resilience space 166.
  • the gas mass m in the resilience space 166 can be reduced by opening the exhaust valve 174; Gas flows from the resilience space 166 through the discharge line 182 into the gas reservoir 184. As a result, the gas pressure p in the resilience space 166 decreases.
  • inlet valve 170 and / or the outlet valve 174 are opened and / or closed in a defined manner by the control and / or regulating device 48 in order to increase and / or reduce the gas mass m in the return spring chamber 166.
  • the gas pressure p can be measured in a time-resolved manner by means of the pressure sensor 102, wherein the measurement signal of the control and / or regulating device 48 can be provided.
  • the control and / or regulating device 48 may open and / or close the inlet valve 170 and / or the outlet valve 174 as a function of the measuring signal of the pressure sensor 102. In this way, the gas mass in the resilience space 166 can be increased or decreased so long until the actual value of the gas pressure p in the resilience space 166 is at least approximately equalized to the desired value.
  • control and / or regulating device 48 evaluates which gas mass m is supplied to the resilience space 166 or removed from it when the inlet valve 170 or the outlet valve 174 is opened:
  • the gas mass m is, for example, proportional to the gas quantity, the proportionality factor being the gas density.
  • the added or removed gas quantity can be detected by means of the volume flow sensors 180 or 186 and the corresponding measured values can be made available to the control and / or regulating device 48. This can then calculate the corresponding gas masses.
  • the adjustment and / or control and / or regulation takes place only at certain times, for example within a time window ZF, which is arranged in terms of time at the bottom dead center UT of the piston device 26 relative to the second end wall 160 (FIG ).
  • the gas pressure p in the resilience space 166 is close to its minimum p min . This makes it easier for the resilience space 166 to supply a certain amount of gas or to remove a certain amount of gas from it.

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Abstract

Es wird eine Freikolbenvorrichtung bereitgestellt, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung linear beweglich angeordnet ist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist, und wobei die mindestens eine Kolbenaufnahme einen Rückfederraum aufweist, in dem ein komprimierbares Gas zum Ausüben einer Rückstellkraft auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung aufgenommen ist und an dem ein Stellorgan zur Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung angeordnet ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung vorgeschlagen.

Description

Freikolbenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung linear beweglich angeordnet ist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist, und wobei die mindestens eine Kolbenaufnahme einen Rückfederraum aufweist, in dem ein komprimierbares Gas zum Ausüben einer Rückstell kraft auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung aufgenommen ist, und mindestens ein Stellorgan zur Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft, welches an dem Rückfederraum angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, bei dem mindestens eine Kolbeneinrichtung, die in mindestens einer Kolbenaufnahme linear beweglich geführt wird, unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben wird, und bei dem auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung durch ein komprimierbares Gas, welches in einem Rückfederraum der mindestens einen Kolbenaufnahme aufgenommen ist, eine Rückstellkraft ausgeübt wird.
Über eine Freikolbenvorrichtung lässt sich beispielsweise chemische Energie über Verbrennung teilweise in mechanische Energie, nämlich kinetische Energie einer Kolbeneinrichtung, umwandeln, und diese mechanische Energie lässt sich dann wiederum über einen Lineartrieb zumindest teilweise in elektrische Energie umwandeln. Durch eine Ausgestaltung der Kolbenbewegung als Freikolbenbewegung lässt sich eine reine Linearbeweglichkeit der Kolben realisieren, ohne dass eine Kurbelwelle vorgesehen werden muss.
Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise als Teil von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden und insbesondere im Zusammenhang mit seriellen Hybridkonzepten. Sie lassen sich auch als kompakte Stromerzeugungseinheit zur Generierung von Strom einsetzen oder auch im Zusammenhang mit stationären Anwendung wie beispielsweise Blockheizkraftwerken einsetzen.
Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der GB 854 255 und der DE 22 17 194 C3 bekannt.
Verbrennungsvorrichtungen mit elektrischen Generatoren sind auch aus der US 6,199,519 Bl, der DE 31 03 432 Al, der D D R- Patentschrift Nr. 113 593, der DE 43 44 915 Al oder aus dem Artikel "Advanced internal combustion engine research" von P. van Barrigan, Proceedings of the 2000 DOE Hydro- gene Program Review, bekannt.
Aus der DE 102 19 549 B4 ist eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb bekannt, welche mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung umfasst, wobei die Kolbeneinrichtung eine Läufervorrichtung umfasst und an der Kolbenaufnahme eine Statorvorrichtung angeordnet ist. Die mindestens eine Kolbeneinrichtung ist unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar, wobei der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel einstellbar ist, dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung definierbar sind.
Eine weitere Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb ist in der WO 01/45977 A2 beschrieben.
Aus der EP 1 398 863 Al ist eine Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welcher ein erster Verschiebungsraum, in welchem ein Kolben in der mindestens einen Kolbeneinrichtung, auf die das Medium wirkt, beweglich ist, und ein zweiter Verschiebungsraum, in welchem die zugeordnete Läufervorrichtung beweglich ist, getrennte Räume sind.
Aus der DE 197 81 913 Tl ist ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Lineargenerators bekannt, wobei der Lineargenerator von einem Verbrennungsmotor mit zwei auf einer Achse zueinander ausgerichteten und einander gegenüberliegend angeordneten Kolben angetrieben wird. Die Stromaufnahme wird so gesteuert, dass während eines Hin- und Herbewegungszyklus des Generators eine Widerstandskraft erhalten wird, die mindestens im mittleren Hubbewegungsbereich der Bewegungsgeschwindigkeit des Generators im Wesentlichen proportional auf den Generator wirkt. Es sind Drucksensoren in den Verbrennungsräumen vorgesehen, wobei ein Steuergerät eine Einrichtung für die Zündung des den Verbrennungsräumen zugeführten Ge- mischs bei Erreichen eines festgelegten Drucks auslöst.
Eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb ist aus der
DE 10 2004 062 440 B4 bekannt. Die Freikolbenvorrichtung weist einen Rückfederraum auf, in dem ein Gas aufgenommen ist. An dem Rückfederraum ist mindestens ein Drucksensor vorgesehen, mit dem sich durch Messung des Drucks des Gases im Rückfederraum die Position und/oder die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung ermitteln lässt. Über den gemessenen Druck lässt sich damit eine Steuerung und/oder Regelung der Freikolbenvorrichtung durchführen, beispielsweise bezüglich der Einspritzung von Brennstoff in den Expansionsraum, des Zündzeitpunkts von Brennstoff in einem Expansionsraum und/oder von an dem Expansionsraum angeordneten Ventilen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Freikolbenvorrichtung, insbesondere die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung in der mindestens einen Kolbenaufnahme, auf einfache Weise abstimmbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rückstell kraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist.
Das in dem Rückfederraum aufgenommene Gas kann zumindest teilweise mechanische Energie der (mindestens einen) Kolbeneinrichtung aufnehmen, indem es von dieser komprimiert wird. Umgekehrt kann es durch Expansion Energie an die mindestens eine Kolbeneinrichtung abgeben und sorgt dadurch über die bereitgestellte Rückstellkraft für eine Rückstellung der mindestens einen Kolbeneinrichtung. Sowohl bei der Kompression durch die mindestens eine Kolbeneinrichtung als auch bei der Expansion übt das im Rückfederraum aufgenommene Gas eine Kraft auf die Kolbeneinrichtung aus, und zwar infolge seines eigenen Gasdruckes. Die Kraft wirkt der Kompression durch die Kolbeneinrichtung entgegen. Der Rückfederraum mit dem darin aufgenommenen Gas weist somit federnde Eigenschaften auf und bildet insbesondere eine Gasfeder, wobei die Rückstellkraft durch die federnden Eigenschaften des Rückfederraumes bestimmt ist. Diese werden im Wesentlichen bestimmt durch die Art und Weise, wie das Gas durch die Kolbeneinrichtung komprimierbar ist.
Mittels des am Rückfederraum angeordneten Stellorgans ist es möglich, die vom Rückfederraum ausgehende Rückstellkraft zu steuern und/oder zu regeln. Auf diese Weise kann mittels des Stellorgans Einfluss darauf genommen werden, wie das Gas im Rückfederraum durch die Kolbeneinrichtung komprimierbar ist. Dadurch ist die Kolbeneinrichtung in ihrer Bewegung durch die Einstellung der federnden Eigenschaften des Rückfederraumes beeinflussbar. Dies erlaubt es, die Freikolbenvorrichtung auf einfache Weise abzustimmen. Es ist dadurch möglich, einen optimalen Arbeitspunkt für die Freikolbenvorrichtung festzulegen, bei dem beispielsweise der Brennstoff bedarf und/oder der Schadstoffausstoß minimiert ist. Denkbar ist auch eine Anpassung der Freikolbenvorrichtung an verschiedene Brennstoffe.
Das mindestens eine Stellorgan kann auf vielfältige Weise ausgebildet sein, denkbar sind beispielsweise Kolbeneinrichtungen, Klappen, Steuerstifte oder dergleichen.
Das Stellorgan kann selbst gesteuert und/oder geregelt sein, beispielsweise mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung.
Erfindungsgemäß ist die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar. Auf diese Weise ist die Freikolbenvorrichtung im Betrieb abstimmbar. Dies erlaubt es, den Arbeitspunkt der Freikolbenvorrichtung einzustellen, ohne ihren Betrieb zu unterbrechen. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuerung und/oder Regelung nach einem vorgegebenen Ablaufplan erfolgt. Ein derartiger Ablaufplan kann etwa in einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung hinterlegt sein. Möglich ist auch, dass während des Betriebes der Freikolbenvorrichtung eine oder mehrere Kenngrößen erfasst werden über den momentanen Betriebszustand der Freikolbenvorrichtung, auf deren Grundlage die Steuerung und/oder Regelung der Rückstell kraft erfolgt.
Bevorzugt ist das mindestens eine Stellorgan bewegbar. Das erlaubt es, die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft auf konstruktiv einfache Weise durchzuführen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Stellorgan das im Rückfederraum aufgenommene Gas durch seine Bewegung verdrängt.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine Stellorgan feststellbar bewegbar ist, denn dies vereinfacht eine bedarfsgerechte Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft. Beispielsweise kann das mindestens eine Stellorgan festgestellt sein, wenn keine Änderung der Rückstell kraft erfolgen soll. Dies erlaubt auch eine Steuerung und/oder Regelung in mehreren und/oder unterschiedlich großen Schritten.
Bevorzugt ist das mindestens eine Stellorgan verschiebbar.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Verschiebungsrichtung des mindestens einen Stellorgans parallel zur Bewegungsrichtung der mindestens einen Kolbeneinrichtung ist. Günstig ist es, wenn dem mindestens einen Stellorgan zur Bewegung ein Antrieb zugeordnet ist. Dies erlaubt es, das mindestens eine Stellorgan mittels des Antriebs präzise zu bewegen und zu positionieren. Der Antrieb kann ein mechanischer und/oder pneumatischer und/oder hydraulischer und/oder elektrischer Antrieb sein.
Vorzugsweise ist der Antrieb steuerbar. Dies gibt die Möglichkeit, dem Antrieb von außen ein Signal bereitzustellen und eine definierte Bewegung des min- destens einen Stellorgans zu bewirken. Beispielsweise kann eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen sein zur Steuerung des Antriebs. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann den Antrieb etwa nach einem vorgegebenen Ablaufplan oder in Abhängigkeit eines der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung von außen zugeführten Signals steuern.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist mindestens ein Stellorgan als ein den Rückfederraum begrenzender Wandabschnitt ausgebildet. Dies stellt eine ebenso einfache wie robuste Art und Weise dar, ein Stellorgan zu bilden. Der begrenzende Wand- abschnitt kann hierbei an der Kolbenaufnahme angeordnet sein, also beispielsweise an einem Wandbereich der Kolbenaufnahme. Insbesondere ist es aber möglich, dass der begrenzende Wandabschnitt im Innenraum der mindestens einen Kolbenaufnahme angeordnet ist.
Günstig ist es, wenn der Wandabschnitt einer Stirnseite der mindestens einen Kolbenaufnahme gegenüberliegt. Dadurch lässt sich die Rückfederkraft auf konstruktiv einfache Weise einstellen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Wandabschnitt durch eine Kolbenfläche gebildet ist. Ein auf diese Weise ausgebildeter Wandabschnitt und insofern auch ein auf diese Weise ausgebildetes Stellorgan weist besonders günstige Eigenschaften auf. Die Kolbenfläche ist dabei vorzugsweise durch eine Oberfläche eines Steuerkolbens gebildet, der in der Kolbenaufnahme bewegbar und insbesondere verschiebbar angeordnet ist. Der Rückfederraum der Kolbenaufnahme kann dabei zwischen der Kolbenfläche und der Kolbeneinrichtung angeordnet sein. Dies erlaubt es, mittels des Steuerkolbens das Gasvolumen im Rückfederraum (beispielsweise bezogen auf ein minimales Gasvolumen oder ein maximales Gasvolumen) zu variieren und auf diese Weise die federnden Eigenschaften des Rückfederraums und dadurch die Rückstellkraft zu verändern. Des Weiteren können die Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung und die Verschiebungsrichtung des Steuerkolbens parallel zueinander verlaufen und beispielsweise parallel zu einer Symmetrieachse der Kolbenaufnahme.
Günstig ist es, wenn mindestens ein Positionssensor vorgesehen ist, der mit dem mindestens einen Stellorgan zusammenwirkt. Auf diese Weise lässt sich Information über die Position des mindestens einen Stellorgans erfassen. Es kann vorgesehen sein, dass der Positionssensor an der Kolbenaufnahme angeordnet ist. Denkbar ist auch, dass er direkt am Stellorgan angeordnet ist. Beispielsweise lässt sich der Positionssensor als optischer oder mechanischer Sensor ausbilden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Positionssensor so ausgebildet, dass die Position des mindestens einen Stellorgans relativ zu der mindestens einen Kolbenaufnahme erfassbar ist. Dies erlaubt es insbesondere, die Position des Stellorgans relativ zur Kolbenaufnahme zu kontrollieren. Da die Kolbenaufnahme den Rückfederraum umfasst, ist auf diese Weise auch die Position des Stellorgans in Bezug auf den Rückfederraum kontrollierbar.
Aus einem ähnlichen Grund, nämlich vorzugsweise eine Bewegung des Stellorgans zu kontrollieren, ist es günstig, wenn der mindestens eine Positionssensor so ausgebildet ist, dass eine Bewegung des mindestens einen Stellorgans erfassbar ist.
Vorzugsweise ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen, mittels derer die Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Beispielsweise lässt oder lassen sich mittels der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung die Einspritzung von Brennstoff in den Expansionsraum, der Zündzeitpunkt von Brennstoff im Expansionsraum und am Expansionsraum angeordnete Ventile zur Luftansaugung oder zum Ausstoß von Abgasen steuern und/oder regeln.
Günstig ist es, wenn über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung die Rückstell kraft mittels des mindestens einen Stellorgans steuerbar und/oder regelbar ist. Dies erlaubt beispielsweise den Einsatz von lediglich einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung für die Freikolbenvorrichtung.
Besonders günstig ist es, wenn die Rückstellkraft gemäß eines Signals eines Positionssensors steuerbar und/oder regelbar ist. Dies stellt eine einfache
Form der Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft dar. Der Positionssensor kann der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung beispielsweise Informationen über die Position und/oder eine Bewegung des Stellorgans der Freikolbenvorrichtung bereitstellen. Dies erlaubt es beispielsweise, über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung einen Antrieb anzusteuern, um das Stellorgan zu bewegen oder eine bestehende Bewegung zu stoppen. Da- durch lassen sich die federnden Eigenschaften des Rückfederraumes und somit auch die Rückstellkraft beeinflussen, insbesondere steuern und/oder regeln.
Bevorzugt ist mindestens ein Drucksensor an dem Rückfederraum angeordnet. Dies erlaubt es, den Druck im Rückfederraum, also den Druck des im Rück- federraum aufgenommenen Gases, zu messen. Beispielsweise kann der Drucksensor an einer Stirnseite, insbesondere an einer Stirnwand, der Kolbenaufnahme angeordnet sein. Der Druck des Gases im Rückfederraum steht in Beziehung zu der vom Gas auf die Kolbeneinrichtung ausgeübte Rückstellkraft. Mittels des Messsignals des Drucksensors kann also auch eine Aussage über die Rückstellkraft getroffen werden.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Drucksensor so ausgebildet ist, dass damit der Druck im Rückfederraum zeitaufgelöst messbar ist. Damit lässt sich auch die Änderung des Drucks im Rückfederraum ermitteln. Auf diese Weise lässt sich auch die Änderung der Rückstellkraft ermitteln.
Vorteilhaft ist es, wenn ein elektrischer Lineartrieb vorgesehen ist. Dadurch lässt sich mittels der Freikolbenvorrichtung elektrische Energie erzeugen. Der elektrische Lineartrieb kann auch zur Steuerung und/oder Regelung der Be- wegung der Kolbeneinrichtung verwendet werden, wie dies in der
DE 102 19 549 B4 beschrieben ist, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Insbesondere umfasst dann die mindestens eine Kolbeneinrichtung bevorzugt eine Läufereinrichtung, und an der mindestens einen Kolbenaufnahme ist vorzugsweise eine Statorvorrichtung angeordnet. Die Läufereinrichtung ist mag- netisiert. Durch Bewegung der Kolbeneinrichtung wird in der Statorvorrichtung eine elektrische Spannung induziert. Entsprechend kann durch Strombeaufschlagung der Statorvorrichtung auf die Kolbeneinrichtung eingewirkt werden.
Insbesondere ist es günstig, wenn der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel einstellbar ist, dass die Totpunkte der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung definierbar sind. Dies ist in der DE 102 19 549 B4 beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, dass damit die Freikolbenvorrichtung, insbesondere die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung in der mindestens einen Kolbenaufnahme, im Betrieb auf einfache Weise abstimmbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zu- standsgröße des Gases im Rückstellraum vorgegeben wird, der Istwert der mindestens einen Zustandsgröße erfasst wird und bei Abweichen vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erläuterten Vorteile auf. Insbesondere wird die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt. Auf diese Weise ist die Freikolbenvorrichtung abstimmbar, insbesondere die Bewegung der (mindestens einen) Kolben- einrichtung in der (mindestens einen) Kolbenaufnahme, ohne den Betrieb der Freikolbenvorrichtung zu unterbrechen.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erwähnt, steht die vom Gas ausgeübte Rückstell kraft mit dem Druck des Gases in Beziehung. Der Gasdruck stellt hierbei eine Zu- standsgröße des Gases dar. Weitere bevorzugte Zustandsgrößen des Gases sind beispielsweise die Temperatur, das Volumen, sowie die Teilchenzahl im Gas, die mit der Gasmasse verknüpft ist. Diese stehen jeweils über die Zu- standsgleichung eines Gases ihrerseits mit dem Gasdruck in Beziehung. Auf diese Weise können beispielsweise auch die Temperatur, das Volumen und die Masse des Gases in Beziehung zu der vom Gas auf die Kolbeneinrichtung ausgeübte Rückstell kraft gesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Istwert mindestens einer Zustandsgröße erfasst und zumindest näherungsweise an einen vorgebbaren Sollwert mindestens einer Zustandsgröße angeglichen. Über die Beziehung zwischen der Rückstellkraft und mindestens einer Zustandsgröße des Gases ist es auf diese Weise möglich, die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft durchzuführen, indem der Istwert mindestens einer Zustandsgröße ge- steuert und/oder geregelt wird.
Besonders günstig ist es, wenn der Druck im Rückfederraum zeitaufgelöst gemessen wird. Der Druck im Rückfederraum entspricht dem Druck des Gases im Rückfederraum. Bei dem Druck handelt es sich um eine Zustandsgröße, dessen Sollwert vorgebbar ist. Es lässt sich durch zeitaufgelöste Messung des Druckes ermitteln, ob der Istwert des Druckes vom Sollwert abweicht.
Es ist möglich, dass mindestens ein Stellorgan bewegt wird. Insbesondere kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass ein Kolben verschoben wird. Mittels der Bewegung mindestens eines Stellorgans oder eines Kolbens kann es beispielsweise möglich sein, Gas im Rückfederraum so zu verdrängen, dass sich dadurch dessen Druck ändert. Auf diese Weise ist auch die Rückstell kraft ver- änderbar.
Bevorzugt wird die Position des mindestens einen Stellorgans oder des Kolbens zeitaufgelöst gemessen. Dies gibt beispielsweise die Möglichkeit, einen Druck oder eine Druckänderung des Gases quantitativ mit der Position bzw. einer Bewegung des mindestens einen Stellorgans oder des Kolbens in Beziehung zu setzen.
Bei einem bevorzugten Verfahren erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Rückstell kraft über die Einstellung der Gasmasse im Rückfederraum. Die Gas- masse kann dabei erhöht oder verringert werden. Sie ist eindeutig mit der Teilchenzahl im Gas verknüpft, bei der es sich um eine Zustandsgröße des Gases handelt.
Ebenso günstig ist es auch, wenn die Steuerung und/oder Regelung der Rück- Stellkraft über die Einstellung der Gasmenge im Rückfederraum erfolgt. Die Gasmenge lässt sich beispielsweise über die Gasdichte mit der Gasmasse in Beziehung setzen, die wiederum mit der Teilchenzahl im Gas verknüpft ist. Besonders günstig ist es, wenn Gas dem Rückfederraum zugeführt wird oder wenn Gas vom Rückfederraum abgeführt wird. Dies erlaubt es, die Gasmasse und/oder die Gasmenge im Rückfederraum auf technisch einfache Weise ein- zustellen.
Insbesondere wird dabei vorzugsweise mindestens ein Ventil betätigt. Durch Betätigen des mindestens einen Ventils ist es beispielsweise möglich, eine Gasleitung zu öffnen, so dass Gas dem Rückfederraum zugeführt oder von ihm abgeführt wird. Dadurch ist möglich, die Gasmasse und/oder die Gasmenge und die mit diesen Größen verknüpfte Zustandsgröße, nämlich die Teilchenzahl im Gas, einzustellen.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der Druck im Rückfederraum mittels einer Position mindestens eines Stellorgans und/oder eines Kolbens und/oder mittels einer Stellung mindestens eines Ventils gesteuert und/oder geregelt wird. Auf diese Weise ist der Druck technisch besonders einfach steuerbar und/oder regelbar.
Wie oben erläutert, ist es beispielsweise möglich, mindestens ein Stellorgan oder einen Kolben zu bewegen bzw. zu verschieben, wobei die Bewegung bzw. die Verschiebung mittels eines Positionssensors erfassbar ist. Bei der Bewegung bzw. Verschiebung kann Gas im Rückfederraum verdrängt werden, so dass sich dadurch auch dessen Druck ändern kann.
Wie erwähnt, sind die Zustandsgrößen eines Gases sind nicht unabhängig voneinander, sondern durch die Zustandsgieichung des Gases miteinander verknüpft. Beispielsweise ist der Druck eines Gases proportional zur Gasmasse und umgekehrt proportional zur Gasmenge. Dies gibt die Möglichkeit, die Gasmasse und/oder Gasmenge durch den Gasdruck auszudrücken. Wird ein am Rückfederraum angeordnetes Ventil betätigt, so ist die Gasmasse und/oder Gasmenge im Rückfederraum und infolgedessen auch der Druck im Rück- federraum variierbar.
Auf die beschriebenen Weisen ist mittels der Stellung des Ventils und/oder mittels der Position mindestens eines Stellorgans oder eines Kolbens der Druck im Rückfederraum auf technisch einfache Weise steuerbar und/oder regelbar.
Vorzugsweise wird bei periodischem Betrieb der Freikolbenvorrichtung die Rückstell kraft auf einer Zeitskala größer als eine Arbeitsperiode gesteuert und/oder geregelt. Dies vermindert den technischen Aufwand, mit dem eine derartige Steuerung und/oder Regelung durchzuführen ist. Vorzugsweise wird die Rückstellkraft über mindestens drei Arbeitsperioden gesteuert und/oder geregelt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Er- findung. Es zeigen :
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, teilweise in Schnittdarstellung;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Freikolbenvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Figur 3: ein schematisches Druck-Zeit-Diagramm für einen Kompressionsraum einer Freikolbenvorrichtung gemäß Figur 1 oder Figur 2.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung und insbesondere Freikolbenverbrennungsvorrichtung, welche in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst als Kolbenaufnahme 12 einen Zylinder mit einem Zylindergehäuse 14. Das Zylindergehäuse 14 weist eine erste stirnseitige Wand 16 auf, welche eine erste Stirnseite 18 der Kolbenaufnahme 12 bildet. Der ersten stirnseitigen Wand 16 gegenüberliegend wird die Kolbenaufnahme 12 durch eine zweite stirnseitige Wand 20 begrenzt, welche eine zweite Stirnseite 22 der Kolbenaufnahme 12 bildet.
In einem Innenraum 24 des Zylindergehäuses 14 ist eine Kolbeneinrichtung 26 linear verschieblich positioniert. Die Kolbeneinrichtung 26 ist mindestens bezüglich ihrer äußeren Gestalt im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse 28 des Zylindergehäuses 14. Die Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung 26 ist parallel bzw. koaxial zu dieser Achse 28.
Die Kolbeneinrichtung 26 umfasst einen ersten Kolben 30 mit einer ersten Kolbenfläche 32, welche der ersten Stirnseite 18 zugewandt ist. Die Kolbeneinrichtung 26 umfasst ferner einen zum ersten Kolben 30 beabstandeten zweiten Kolben 34 mit einer zweiten Kolbenfläche 36, welcher der zweiten Stirnseite 22 der Kolbenaufnahme 12 zugewandt ist. Der zweite Kolben 34 dient im Wesentlichen zur Abstützung des ersten Kolbens 30. Die beiden
Kolben 30, 34 sind über eine Haltestruktur 38 fest und insbesondere starr miteinander verbunden. Dadurch ist an der Kolbeneinrichtung 26 ein Kolbenpaar gebildet. Die Haltestruktur 38 umfasst beispielsweise eine Kolbenstange 40.
Zwischen der ersten Stirnseite 18 der Kolbenaufnahme 12 und dem ersten Kolben 30 ist eine Expansionskammer mit einem Expansionsraum 42 gebildet. Bei der Expansionskammer handelt es sich insbesondere um eine Brennkammer und bei dem Expansionsraum um einen Brennraum.
(Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum ein Wärme- trägermedium wie Dampf expandiert, welches außerhalb des Expansionsraums erzeugt wurde oder welchem außerhalb des Expansionsraums Energie zugeführt wurde. Ein Beispiel einer entsprechenden Freikolbenvorrichtung ist in der DE 102 19 549 B4 offenbart, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.)
In dem Expansionsraum 42 ist ein Medium expandierbar, um die Kolbeneinrichtung 26 in ihrer Linearbewegung anzutreiben. Im Beispiel eines Brennraums handelt es sich bei dem expandierenden Medium um Brenngase; diese werden insbesondere durch einen Verbrennungsvorgang im Expansionsraum 42 erzeugt.
Die Abmessungen des Expansionsraums 42 sind durch den Kolbenhub der Kolbeneinrichtung 26 bestimmt, das heißt das Volumen und die (innere) Oberfläche des Expansionsraums 42 sind durch die Position des ersten Kolbens 30 bestimmt.
Dem Expansionsraum 42 sind ein oder mehrere insbesondere elektrisch steuerbare Einlassventile 44 und ein oder mehrere insbesondere elektrisch steuerbare Auslassventile 46 zugeordnet. Die Steuerung des (mindestens einen) Einlassventils 44 und des (mindestens einen) Auslassventils 46 erfolgt über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48. Über das Einlassventil 44 und das Auslassventil 46 lässt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen von insbesondere Verbrennungsprodukten zeitlich gezielt steuern.
Beispielsweise ist eine in den Expansionsraum 42 führende Saugleitung 50 mit einem Lader 52 verbunden. Die Saugleitung 50 kann mittels des (mindestens einen) Einlassventils 44 geöffnet oder geschlossen werden.
Über das Auslassventil 46 führt eine Abgasleitung 54 zu dem Lader 52. Der Lader 52 selber weist eine Zuführung 56 insbesondere für Ansaugluft und eine Abführung 58 für Abgase auf.
Bei dem Lader 52 kann es sich beispielsweise um einen Druckwellenlader handeln, bei dem die Energie des Abgasstroms aus dem Expansionsraum 42 genutzt wird, um die Ladeluft (angesaugte Luft) zu verdichten. Bei einem solchen Druckwellenlader saugen Druckwellen und Saugwellen der pulsierenden Abgase Frischluft an und verdichten diese. Diese Verdichtung erfolgt dabei in direkter Berührung mit den Abgasen.
Beim Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 erfolgt eine beispielsweise eine konstant oszillierende Verschiebebewegung der Kolbeneinrichtung 26. Dadurch lässt sich eine konstante Oszillation der abgeführten Abgase erreichen, so dass der Gaswechsel über den Lader 52 steuerbar und/oder regelbar ist. Der Vorteil eines Druckwellenladers ist, dass er nur einen geringen Energieaufwand hat. Das Gesamtsystem des Laders 52 der Kolbeneinrichtung 26 mit dem ihr zugeordneten Expansionsraum 42 lässt sich aufgrund der konstanten Periodendauer für die oszillierende Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 genau auf einen optimalen Betriebspunkt auslegen, auf den wiederum der Lader 52 aus- gelegt sein kann.
An dem Expansionsraum 42 ist bei einer Ausführungsform (mindestens) ein Drucksensor 60 angeordnet. Es handelt sich dabei vorzugsweise um einen Piezosensor. Beispielsweise ist der Drucksensor 60 an der ersten Wand 16 an- geordnet, die eine Ausnehmung aufweisen kann, in der der Drucksensor 60 sitzt. Der Drucksensor 60 ist dem ersten Kolben 30 zugewandt ausgerichtet. Insbesondere weist eine aktive Sensorfläche der ersten Kolbenfläche 32 zu.
Über den Drucksensor 60 lässt sich der Druck in dem Expansionsraum 42 er- mittein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich der Druck in dem Expansionsraum 42 über den Drucksensor 60 zeitaufgelöst ermitteln lässt.
Darüber hinaus kann an dem Expansionsraum 42 ein Temperatursensor 62 vorgesehen sein, mit dem sich die Temperatur im Expansionsraum 42, bevor- zugt auch zeitaufgelöst, ermitteln lässt.
Der Drucksensor 60 und der Temperatursensor 62 können mit der Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 über Signalleitungen verbunden sein. Dadurch können sie der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 ihre Signale übermitteln. Am Expansionsraum 42 ist ferner eine Einspritzvorrichtung 64 angeordnet. Über diese Einspritzvorrichtung 64 lässt sich Brennstoff in den Expansionsraum 42 einkoppeln. Die Einspritzvorrichtung 64 ist hierbei beispielsweise von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 steuerbar und/oder regel- bar.
Ferner ist am Expansionsraum 42 eine Zündvorrichtung 66 angeordnet, mit der ein sich im Expansionsraum 42 befindlicher Brennstoff gezündet werden kann. Auch die Zündvorrichtung 66 kann über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung gesteuert und/oder geregelt werden.
Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst einen als Ganzes mit 68 bezeichneten elektrischen Lineartrieb, welcher eine Läufervorrichtung 70 aufweist. Die Läufervorrichtung 70 ist an der Kolbeneinrichtung 26 angeordnet. Sie wird mit der Kolbeneinrichtung 26 bewegt.
Der elektrische Lineartrieb 68 umfasst darüber hinaus eine Statorvorrichtung 72, welche an der Kolbenaufnahme 12 außerhalb des Zylindergehäuses 14 angeordnet ist. Über sie lassen sich Spannungen induzieren, um elektrische Energie zu generieren bzw. es lässt sich die Kolbeneinrichtung 26 entsprechend beeinflussen.
Die Läufervorrichtung 70 umfasst beispielsweise Magnetelemente 74 und Flussleitelemente 76, welche an der Haltestruktur 38 zwischen den Kolben 30 und 34 alternierend angeordnet sind. Die Haltestruktur 38 umfasst beispielsweise einen zylindrischen Träger 78, an welchem die Magnetelemente 74 und die Flussleitelemente 76 sitzen. Der zylindrische Träger 78 ist an der Kolbenstange 40 gehalten und insbesondere einstückig mit dieser verbunden. Die Verbindung erfolgt über sich radial er- streckende beabstandete Leisten oder Scheiben 80. Die radiale Richtung liegt senkrecht zur Achsenrichtung 28. Die Leisten oder Scheiben 80 sind in der axialen Richtung 28 beabstandet. Dadurch ist zwischen benachbarten Leisten oder Scheiben 80 ein Zwischenraum 82 gebildet; die Haltestruktur 38 ist dadurch nicht aus einem Vollmaterial hergestellt, so dass die Masse der Kolben- einrichtung 26 im Vergleich zu einer Herstellung aus einem Vollmaterial verringert ist.
Bei den Magnetelementen 74 kann es sich um Permanentmagnetelemente handeln, die insbesondere scheibenförmig rotationssymmetrisch um die Achse 28 ausgebildet sind. Es kann sich grundsätzlich auch um Elektromagnetelemente handeln, die entsprechend insbesondere konzentrisch um die Achse 28 angeordneten Windungen umfasst. In diesem Fall muss eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen werden, um zu diesen Elektromagnetelementen Energie übertragen zu können. Dies kann beispielsweise induktiv erfolgen oder über Schleifringe.
Die Flussleitelemente 76 sind ebenfalls scheibenförmig und aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität hergestellt. Beispielsweise wird Eisen verwendet, oder es werden magnetisch permeable Pulververbundwerkstoffe ver- wendet. Die Magnetelemente 74, insbesondere wenn es sich um Permanentmagnetelemente handelt, und die Flussleitelemente 76 sind so ausgebildet, dass sie eine Zentralöffnung aufweisen, mit welcher sie bei der Herstellung der Kolbeneinrichtung 26 auf den Träger 78 aufschiebbar sind.
Die Magnetelemente 74 sind so ausgebildet und insbesondere so magnetisiert, dass in einem Flussleitelement 76 die Feldlinien der benachbarten Magnetelemente 74 konzentriert werden, um somit die magnetische Leistungsdichtung des Systems zu erhöhen. Insbesondere sind die Magnetelemente 74 derart parallel angeordnet, dass gleiche Pole benachbarter Magnetelemente 74 einander zuweisen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Außenfläche der Läufervorrichtung 70 so ausgebildet ist, dass sie in einem die Achse 28 umfassenden Querschnitt einer einer Zylinderwand zuweisenden Innenseite zahnförmig ausgestaltet ist. Die Läufervorrichtung 70 weist durch eine solche Zahnstruktur wechselnde magnetische Leitfähigkeiten auf, über die ein Vortrieb für die Kolbeneinrichtung 26 erzeugbar ist.
Die Statorvorrichtung 72 umfasst Haupt-Ringwicklungen 84, welche außerhalb des Zylindergehäuses 14 dieses umgebend angeordnet sind. In diesen Haupt- Ringwicklungen 84 wird bei relativer Bewegung der magnetisierten Läufervorrichtung 70 eine Spannung induziert, wobei elektrische Energie auskoppelbar ist. Es ist dadurch eine Stromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt, welche auf dem Prinzip der Freikolbenführung (lineare Beweglichkeit der Kolbeneinrichtung 26) beruht. Der Hub der Kolbeneinrichtung 26 ist über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 steuerbar und/oder regelbar. Es lässt sich dabei insbesondere eine derartige Steuerung/Regelung durchführen, dass zu jedem Zeitpunkt der Ort der Kolbeneinrichtung 26 festgelegt ist. Dadurch lässt sich nach Bedarf der Umkehrpunkt der Kolbenbewegung des ersten Kolbens 30 einstellen, um so wiederum die Abmessungen des Expansionsraums 42 einstellen zu können. Durch eine entsprechende Steuerung/Regelung des Lineartriebs 68 kann damit der Kolbenhub in Abhängigkeit des Lastzustands eingestellt werden; weiter kann die Verdichtung eingestellt werden, und es lässt sich die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 einstellen. Dies ermöglicht es, den Expansionsraum 42 (bezüglich Volumen und Oberfläche sowie Volumenänderung und Oberflächenänderung) je nach Lastzustand optimiert einzustellen. Insbesondere kann dadurch das Volumen des Expansionsraums 42 und die jeweilige Oberfläche des Expansionsraums 42 an die Anwendung angepasst werden.
Über die örtlich-zeitliche Einstellung des Kolbenhubs (Position, Verdichtung, Geschwindigkeit) kann auch eine Anpassung an den verwendeten Brennstoff durchgeführt werden, d. h. es kann eine Kolbenhubstrecke und Verdichtung eingestellt werden, je nachdem ob beispielsweise ein Brennstoff wie Diesel oder Pflanzenöl verwendet wird mit Selbstzündung oder ein Brennstoff wie Benzin, Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird mit Zündung durch eine Zündvorrichtung.
Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung 72 und ge- gebenenfalls in der Läufervorrichtung 70, d. h. durch Steuerung und/oder Regelung dieser Ströme, lässt sich die Kolbeneinrichtung 26 in ihrer Linear- verschieblichkeit beeinflussen, um den Ort der Umkehrpunkte der Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 26 für den Expansionsraum 42 genau festlegen zu können.
Dadurch lässt sich beispielsweise bei Vollast, bei der eine große Ansaugmenge an Luft für den Expansionsraum 42 erforderlich ist, wenn in diesem eine Verbrennung stattfinden soll, ein entsprechend großer Kolbenhub einstellen, während bei Teillastbetrieb mit reduziertem Ansaugvolumen ein verringerter Hub einstellbar ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass um das Zylindergehäuse 14 eine oder mehrere Nebenwicklungen angeordnet sind. Diese sind elektrisch getrennt von den Hauptringwicklungen 84 der Statorvorrichtung 72. Die Nebenwicklungen sind beispielsweise um die Hauptringwicklungen 84 angeordnet, das heißt sie umgeben diese. Sie können auch neben Hauptringwicklungen 84 angeordnet sein (insbesondere in axialer Verlängerung einer Ringwicklungsachse der Hauptringwicklungen 84).
Über solche Nebenwicklungen lässt sich ein weiterer Strom auskoppeln, um beispielsweise einen 12 V/24 V- oder einen 36 V/42 V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit Strom zu versorgen. Die Windungszahl der Nebenwicklungen ist entsprechend angepasst. Vorzugsweise ist solchen Nebenwicklungen ein Gleichrichter nachgeschaltet, um entsprechend einen gleichgerichteten Strom erzeugen zu können. Es kann auch vorgesehen sein, dass um die Statorvorrichtung 72 eine Kühlkanäle 86 umfassende Kühlvorrichtung 88 angeordnet ist, um die aktiven Komponenten der Freikolbenvorrichtung 10 (mit Lineartrieb 68) zu kühlen; zu diesen aktiven Komponenten gehören insbesondere die Kolbeneinrichtung 26, die Kolbenaufnahme 12 und die Hauptringwicklungen 84.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass aus der entsprechenden Kühlvorrichtung 88 Wärme ausgekoppelt wird, um diese in wärmetechnischen Anwendungen, zum Beispiel für eine Fahrzeugheizung oder ein Blockheizwerk zu nutzen.
Zwischen dem zweiten Kolben 34 der Kolbeneinrichtung 26 und der zweiten Stirnseite 22 der Kolbenaufnahme 12 ist ein Kompressionsraum in Form eines Rückfederraumes 90 gebildet. Der Rückfederraum 90 nimmt hierbei nicht das gesamte Volumen des Zylindergehäuses 14 zwischen der zweiten Kolbenfläche 36 und der zweiten stirnseitigen Wand 20 ein. Der Rückfederraum 90 wird durch die zweite Kolbenfläche 36, die Wände des Zylindergehäuses 14 entlang Wandbereichen 92 und 94 sowie einem Wandabschnitt 96, der durch eine Kolbenfläche 98 eines Steuerkolbens 100 gebildet ist, begrenzt.
Die Kolbenfläche 98 umfasst hierbei den gesamten Wandabschnitt 96 des Rückfederraumes 90. Sie bildet ein Stellorgan der Freikolbenvorrichtung 10, dessen Funktionsweise weiter unten noch näher erläutert wird.
Die Kolbenfläche 98 ist zwischen der zweiten Kolbenfläche 36 und der zweiten Stirnwand 20 der Kolbenaufnahme 12 positioniert. Sie liegt der zweiten Stirnseite 22 gegenüber und ist insbesondere parallel zur zweiten Stirnwand 20 orientiert. Auf diese Weise begrenzt die Kolbenfläche 98 den Rückfederraum 90 stirnseitig, bezogen auf ihre Ausrichtung innerhalb des Zylindergehäuses 14.
Der Rückfederraum 90 ist in der Kolbenaufnahme 12 zwischen dem zweiten Kolben 34 der Kolbeneinrichtung 26 und dem Steuerkolben 100 gebildet, und in Längsrichtung der Kolbenaufnahme 12 von der zweiten Kolbenfläche 36 des zweiten Kolbens 34 und der Kolbenfläche 98 des Steuerkolbens 100 begrenzt.
In dem Rückfederraum 90 ist ein kompressibles Fluid aufgenommen, insbesondere ein Gas wie beispielsweise Luft.
Das Gas im Rückfederraum 90 kann mechanische Energie, die während eines Expansionstaktes der Kolbeneinrichtung 26 nicht von dem Lineartrieb 68 aus- gekoppelt wurde, zumindest teilweise "elastisch" aufnehmen. Dies geschieht durch Kompression des Gases durch die Kolbeneinrichtung 26.
Umgekehrt kann das Gas im Rückfederraum 90 expandieren und auf diese Weise die Kolbeneinrichtung 26 zurücktreiben. Die gespeicherte Energie kann damit zum Verdichten des Brennstoff-Luft-Gemisches bei einem Zweitaktbetrieb oder zum Ausstoß der Abgase bei einem Viertaktbetrieb verwendet werden, wenn in dem Expansionsraum 42 eine Verbrennung zur Erzeugung des expandierenden Mediums erfolgt.
Das Gas im Rückfederraum 90 bildet damit eine Gasfeder, die mechanische Energie der Kolbeneinrichtung 26 mit hoher Reversibilität aufnehmen kann, und die durch Expansion Energie an die Kolbeneinrichtung 26 abgeben kann. An dem Rückfederraum 90 ist ein Drucksensor 102 angeordnet, der an der Kolbenfläche 98 des Steuerkolbens 100 angeordnet ist. Beispielsweise weist die Kolbenfläche 98 dazu eine Ausnehmung auf, in welcher der Drucksensor 102 angeordnet ist.
Der Drucksensor 102 weist der zweiten Kolbenfläche 36 des zweiten Kolbens 34 zu, insbesondere mit einer aktiven Sensorfläche.
Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels kann der Drucksensor beispielsweise an einem der Wandbereiche 92 oder 94 zwischen der zweiten Kolbenfläche 36 und der Kolbenfläche 38 angeordnet sein.
Über den Drucksensor 102 lässt sich der Druck im Rückfederraum 90 messen. Insbesondere lässt sich durch den Drucksensor 102 der Druck zeitaufgelöst messen. Bei dem Drucksensor 102 handelt es sich vorzugsweise um einen Piezosensor.
Darüber hinaus kann an dem Rückfederraum 90 ein Temperatursensor 104 angeordnet sein, der beispielsweise ähnlich wie der Drucksensor 102 in einer Ausnehmung der Kolbenfläche 98 des Steuerkolbens 100 angeordnet sein kann.
Mittels des Temperatursensors 104 ist die Temperatur im Rückfederraum 90 messbar. Der Drucksensor 102 und der Temperatursensor 104 können ihre Messsignale der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 über Signalleitungen übermitteln.
Der Steuerkolben 100 ist in der Kolbenaufnahme 12 bewegbar gelagert, insbesondere ist er in dieser linear verschiebbar gelagert. Auf diese Weise ist die Kolbenfläche 98 im Zylindergehäuse 14 mittels des Steuerkolbens 100 bewegbar und insbesondere linear verschiebbar. Die Verschiebungsrichtung ist dabei parallel bzw. koaxial zur Achse 28 und parallel zur Verschiebungsrichtung der Kolbeneinrichtung 26.
Dies gibt die Möglichkeit, das Gasvolumen im Rückfederraum 90 zur Einstellung der Rückstellkraft der Gasfeder zu verändern; das minimale und das maximale Gasvolumen lässt sich verändern, und insbesondere definiert ein- zustellen. Das Gasvolumen ist minimal, wenn die Kolbeneinrichtung 26 in ihrem oberen Totpunkt OT in Bezug auf die Kolbenfläche 98 ist, und es ist maximal, wenn die Kolbeneinrichtung 26 in ihrem unteren Totpunkt UT im Bezug auf die Kolbenfläche 98 ist.
Dem Steuerkolben 100 ist eine Antriebseinrichtung 108 zugeordnet. Der Steuerkolben 100 steht hierfür über eine Halteeinrichtung 106 mit der Antriebseinrichtung 108 in Verbindung. Die Halteeinrichtung 106 umfasst beispielsweise eine Kolbenstange 109, welche die zweite stirnseitige Wand 20 der Kolbenaufnahme 12 durchgreifen kann. Die Halteeinrichtung 106 kann starr ausgebildet sein, wodurch der Steuerkolben 100 mittels der Antriebseinrichtung 108 in der Kolbenaufnahme 12 bewegt und insbesondere linear verschoben werden kann. Die Antriebseinrichtung 108 umfasst beispielsweise ein Hydrauliksystem zur Bewegung des Steuerkolbens 100. Denkbar sind etwa auch ein pneumatischer Antrieb und/oder ein elektrischer Antrieb.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 steht über eine Steuerleitung mit der Antriebseinrichtung 108 in Verbindung, so dass diese durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 aktivierbar und insbesondere steuerbar ist. Auf diese Weise ist beispielsweise die Position des Steuerkolbens 100 durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 vorgebbar.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist einen Positionssensor 110 auf, mit dem die Stellung der Halteeinrichtung 106 relativ zur Kolbenaufnahme 12 erfassbar ist. Auf diese Weise ist die Position sowie eine Bewegung des Steuerkolbens 100 und somit auch der Kolbenfläche 98 durch den Positionssensor 110 erfassbar.
Der Positionssensor 110 ist beispielsweise nahe der zweiten Stirnwand 20 des Zylindergehäuses 14 angeordnet, und eine aktive Sensorfläche kann in Richtung der Halteeinrichtung 106 gerichtet sein. Über eine Signalleitung kann der Positionssensor 110 der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung 48 sein Messsignal bereitstellen.
Denkbar ist auch eine Anordnung des Positionssensors 110 beispielsweise an der Kolbenfläche 98, wobei eine aktive Sensorfläche der zweiten Kolbenfläche 36 zuweisen kann. In diesem Fall lässt sich der Positionssensor beispielsweise als optischer Sensor realisieren. Denkbar ist auch ein mechanisch arbeitender Positionssensor, der beispielsweise mechanisch mit der Halteeinrichtung 106 gekoppelt ist. Der Positionssensor 110 kann auch in die Antriebseinrichtung 108 integriert sein.
Der Rückfederraum 90 ist gasdicht abgeschlossen. Der zweite Kolben 34 der Kolbeneinrichtung 26 und der Steuerkolben 100 umfassen hierfür Dichtungen 112, beispielsweise in der Form von Polymerdichtungen. Diese gewährleisten eine hohe Dichtigkeit des Rückfederraumes 90 auch bei hohen Drücken des Gases im Inneren.
Am Steuerkolben 100 ist bei einer Ausführungsform eine Gasleitung 114 angeordnet, die beispielsweise in einer Bohrung des Steuerkolbens 100 geführt sein kann. Die Gasleitung 114 weist eine Öffnung 116 auf, die an der Kolben- fläche 98 angeordnet ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Gasleitung 114 mittels eines in der Zeichnung nicht dargestellten Ventils definiert geöffnet und geschlossen werden kann. Der Rückfederraum 90 kann dann beispielsweise in fluidwirksamer Ver- bindung mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Gasspeicher stehen.
Die Gasleitung 114 kann als Befülleitung für den Rückfederraum 90 ausgebildet sein. Dies gibt die Möglichkeit, die Gasmenge im Rückfederraum 90 konstant zu halten.
Überdies ist es dadurch möglich, beim Zusammenbau der Freikolbenvorrichtung 10 den Rückfederraum 90 erstmalig mit Gas zu befüllen. Weitere Beispiele von Freikolbenvorrichtungen sind in der DE 102 19 549 B4 und in der EP 1 398 863 Al offenbart. Auf diese Druckschriften wird ausdrücklich Bezug genommen.
Die erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
Über den Lineartrieb 68 werden durch entsprechende Strombeaufschlagung bestimmte Umkehrpunkte (oberer Totpunkt OT und unterer Totpunkt UT) der Kolbeneinrichtung 26 eingestellt, um dadurch das Volumen und die Oberfläche des Expansionsraumes 42 und insbesondere eines Brennraums festzulegen. Weiterhin wird die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 festgelegt und insgesamt die Verdichtung. Diese Einstellung erfolgt in Abhängigkeit von der Last (Teillast oder Vollast), von dem Brennstoff (Benzin, Erdgas, Wasserstoff, Diesel, Pflanzenöl usw.) und eventuellen weiteren externen Parametern.
Es kann vorgesehen sein, dass für den Start der Freikolbenvorrichtung 10 eine elektrische Vorheizung erfolgt und auch das Kühlwasser der Kühlvorrichtung 88 vorgeheizt wird. Diese Vorheizung kann dabei über den Lineartrieb 68 er- folgen, indem entsprechende Wicklungen, beispielsweise die Hauptringwicklungen 84, als Heizelemente verwendet werden. Es können aber auch eigene Heizspulen vorgesehen sein.
Durch das Kolbenpaar mit den Kolben 30 und 34 ist eine Abstützung der Kolbeneinrichtung 26 hergestellt, das heißt die Kolben 30, 34 lassen sich im Wesentlichen verkippungsfrei linear in der Kolbenaufnahme 12 führen. Die Kolben 30, 34 dienen auch zur Abdichtung des Expansionsraums gegenüber dem Rückfederraum 90. Durch den Lineartrieb 68 sind die Umkehrpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 örtlich und zeitlich genau vorgebbar. Dadurch ist im Teillastbetrieb für eine Luftzuführung auch keine Drosselklappe notwendig, die sonst für Drosselverluste verantwortlich ist.
Durch das Einlassventil 44 und das Auslassventil 46 für den Expansionsraum 42 lässt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen der Abgase gezielt steuern. Dadurch lässt sich die Effizienz des Gesamtsystems und die Abgas- qualität verbessern; durch genaue Einstellung der Steuerzeiten über Zeitpunkte und der Dauer hinsichtlich des Gaswechsels (Durchströmung durch das Einlassventil 44 und durch das Auslassventil 46) kann eine genaue Anpassung zwischen den einzelnen zeitkritischen Vorgängen stattfinden. Da auch die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtung 26 steuerbar bzw. regelbar ist, und zwar auch während des Expansionsvorgangs, ist das Entstehen von Abgasen beeinflussbar.
Insbesondere ist das Einlassventil 44 so angeordnet und ausgebildet, dass angesaugte Luft und resultierende Gasströme längs inneren Zylinderwänden entlanggeführt werden, um so einen optimierten Spülvorgang für einen Gaswechsel zu erhalten.
Das Ansaugen und Verdichten von Luft und das Ausstoßen von Abgasen wird vorzugsweise über den Lader 52 durchgeführt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zündung des Mediums im Expansionsraum 42 durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 48 gemäß dem Signal eines der Drucksensoren 60 oder 102 gesteuert und/oder geregelt werden kann.
Insbesondere können die Ventile 44, 46, die Einspritzvorrichtung 64 und/oder die Zündvorrichtung 66 gesteuert und geregelt werden. Diese Steuerung und/oder Regelung kann so durchgeführt werden, dass eine im Wesentlichen stöchiometrische Verbrennung im Expansionsraum 42 möglich ist. Eine derartige Steuerung und/oder Regelung ist beispielsweise in der DE 10 2004 062 440 B4 derselben Anmelderin offenbart, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Während der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Läufervorrichtung 70 und der Statorvorrichtung 72 in Letzterer eine Spannung induziert, so dass elektrische Energie generiert wird : Es wird mechanische Energie teilweise in elektrische Energie umgewandelt, wobei wiederum die mechanische Energie aus einer teilweisen Umwandlung chemischer Energie infolge der Verbrennung herrührt.
Durch den Rückfederraum 90 kann Energie aufgenommen werden, die wäh- rend des Verbrennungsarbeitstaktes, wenn in dem Expansionsraum 42 eine Verbrennung stattfindet, nicht vom Lineartrieb 68 ausgekoppelt wird. Erfindungsgemäß wird ermöglicht, die Eigenschaften des Rückfederraumes 90 so einzustellen, dass ein optimaler Arbeitspunkt auch bei zeitlichen Schwankungen erzielt wird. Dies wird weiter unten eingehend erläutert.
Die Statorvorrichtung 72 ist über die Kühlvorrichtung 88 gekühlt. Die Kühlvorrichtung 88 kann dabei auch weitere Teile der Kolbenaufnahme 12 und beispielsweise die Kolbeneinrichtung 26 kühlen. Die Kolben 30, 34 sind beispielsweise über eine einfache Planschschmierung geschmiert, so dass keine Ölpumpe erforderlich ist. Die Kolben 30, 34 bewegen sich dann in einem Ölbad, welches durch die Bewegung durcheinander gewirbelt wird, um eine ausreichende Schmierölversorgung zu gewährleisten.
Die Kolben 30, 34 lassen sich mit einer minimierten dem Zylindergehäuse 14 zugewandten Seitenfläche herstellen, das heißt Kolbenhemden lassen sich kurz ausgestalten, da das Kolbenpaar mit dem ersten Kolben 30 und dem zweiten Kolben 34 für eine gegenseitige Abstützwirkung sorgt. Dadurch lassen sich Reibungsverluste bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 minimieren.
Dadurch wiederum ist es möglich, die Kolben 30, 34 auch aus nicht metallischen Werkstoffen wie Keramikwerkstoffen oder aus Graphit oder beispiels- weise glasfaserverstärkten Kohlenstoffmaterialien herzustellen. Solche Kolben können ohne Schmierung auskommen.
Durch die Läufervorrichtung 70 mit alternierend angeordneten Magnetelementen 74 und Flussleitelementen 76 lässt sich eine hohe magnetische Leistungsdichte des Systems erreichen. Insbesondere lassen sich hohe
Leistungsdichten erzielen, wenn die Polteilung in der Läufervorrichtung 70 und der Statorvorrichtung 72 unterschiedlich ist.
Wie bereits erwähnt, kann das Gas im Rückfederraum 90 mechanische Energie von der Kolbeneinrichtung 26 aufnehmen, indem es von dieser komprimiert wird. In diesem Fall wirkt zwischen der Kolbeneinrichtung 26, vermittelt durch den zweiten Kolben 34, und dem Gas im Rückfederraum 90 eine Kraft, mittels derer das Gas durch die Kolbeneinrichtung 26 komprimierbar ist. Umgekehrt kann das Gas im Rückfederraum 90 Energie an die Kolbeneinrichtung 26 abgegeben, indem es expandiert und die Kolbeneinrichtung 26 in Richtung der Stirnseite 18 der Kolbenaufnahme 12 treibt. Auch in diesem Fall wirkt eine Kraft zwischen dem Gas und dem zweiten Kolben 34 der Kolbeneinrichtung 26.
Das Gas im Rückfederraum 90 übt dabei jederzeit infolge seines Gasdruckes p eine der Kompression durch die Kolbeneinrichtung 26 entgegenwirkende Rück- Stellkraft F auf die Kolbeneinrichtung 26 aus.
Die von dem Gas ausgeübte Rückstellkraft F ist dabei beispielsweise dem Druck p des Gases proportional. Die Proportionalitätkonstante ist die Fläche A, auf welche die Rückstell kraft F wirkt. Die Rückstell kraft F lässt sich also als Produkt p • A darstellen. Diese Beziehung zwischen der Rückstell kraft F und dem Gasdruck p erlaubt es, die von dem Gas auf den zweiten Kolben 34 ausgeübte Rückstell kraft F mittels des Gasdrucks p auszudrücken. Der Gasdruck p entspricht dabei dem Innendruck des Rückfederraums 90.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist, wie bereits erwähnt, das als Kolbenfläche 98 gebildete Stellorgan auf, mit dem die Rückstellkraft F steuerbar und/oder regelbar ist. Die Kolbenfläche 98 bildet hierbei einen den Rückfederraum begrenzenden Wandabschnitt 96.
Nach dem Gesagten ist die Rückstellkraft F beispielsweise dadurch steuerbar und/oder regelbar, dass der Gasdruck p im Rückfederraum 90 steuerbar und/oder regelbar ist. Der Gasdruck p kann dadurch variiert werden, dass durch Bewegung und/oder Positionierung des Steuerkolbens 100 und damit insbesondere der Kolbenfläche 98 in der Kolbenaufnahme 12 das Gasvolumen eingestellt wird, und da- bei insbesondere das minimale und das maximale Gasvolumen eingestellt wird.
Der Gasdruck p kann mittels des Drucksensors 102 gemessen und der Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 bereitgestellt werden. Beispielsweise liegt die Oszillationsfrequenz der Kolbeneinrichtung 26 im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 in einer Größenordnung von 50 Hz. Bei Einsatz eines Piezosensors für den Drucksensor 102 lässt sich die notwendige Ansprechzeit erreichen, um den Gasdruck p mit hinreichender Genauigkeit auch zeitaufgelöst zu messen.
Der Steuerkolben 100 und das als Kolbenfläche 98 gebildete Stellorgan lassen sich mittels der Antriebseinrichtung 108 bewegen und insbesondere verschieben. Auf diese Weise ist der Gasdruck p im Rückfederraum 90 veränderlich.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 der Antriebseinrichtung 108 ein vom Gasdruck p abhängendes Steuerungssignal bereitstellt. Die Antriebseinrichtung 108 kann dann die Bewegung des Steuerkolbens 100 in Abhängigkeit des bereitgestellten Signals vornehmen. Auf diese Weise ist die Bewegung des Steuerkolbens steuerbar und damit der Gasdruck p im Rückfederraum 90 steuerbar. Mittels des Positionssensors 110 kann die Stellung der Halteeinrichtung 106 und auf diese Weise die Position und/oder die Bewegung der Kolbenfläche 98, bezüglich der Kolbenaufnahme 12 erfasst werden. Das Messsignal des Positionssensors 110 kann der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 bereitgestellt werden. Dies gibt die Möglichkeit, einen Regelkreis aufzubauen, in dem der Gasdruck p in Abhängigkeit der Position und/oder Bewegung des Steuerkolbens 100 geregelt wird.
Weil der Gasdruck p des Gases im Rückfederraum 90 steuerbar und/oder regelbar ist, ist somit auch die von dem Gas auf die Kolbeneinrichtung 26, ausgeübte Rückstellkraft F steuerbar und/oder regelbar.
Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung 10 möglich, die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft F im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 durchzuführen.
Ein schematisches Druck-Zeit-Diagramm für den Gasdruck p im Rückfederraum 90 zeigt Figur 3. Der Gasdruck p im Rückfederraum 90 ist schematisch durch den Kurvenverlauf 118 dargestellt. Der Gasdruck p oszilliert gemäß der oszillierenden Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 zwischen einem Maximaldruck pmaχ und einem Minimaldruck pmιn mit einer Periodendauer T. Der Maximaldruck pmax wird beim oberen Totpunkt OT der Kolbeneinrichtung 26 in Bezug auf die Kolbenfläche 98 erreicht, und der Minimaldruck pmιn wird beim unteren Totpunkt UT der Kolbeneinrichtung 26 in Bezug auf die Kolbenfläche 98 erreicht. Beispielsweise ist es möglich, den Steuerkolben und die Kolbenfläche 98 nur innerhalb eines Zeitfensters ZF zu verschieben, das zeitlich gesehen im Bereich des unteren Totpunktes UT angeordnet ist. In diesem Fall ist die Kolbeneinrichtung 26 am weitesten von der Kolbenfläche 98 entfernt, und der Steuerkolben 100 ist mit dem geringsten Kraftaufwand bewegbar.
Die Steuerung und/oder Regelung der von dem Gas im Rückfederraum 90 auf die Kolbeneinrichtung 26 ausgeübte Rückstellkraft F erlaubt es, die Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 abzustimmen. Dies gibt die Möglichkeit, einen opti- malen Arbeitspunkt der Freikolbenvorrichtung 10 einzustellen. Bei diesem optimalen Arbeitspunkt kann beispielsweise der B renn Stoff bedarf und/oder der Schadstoffausstoß minimiert sein.
Günstigerweise erfolgt die Regelung des Gasdruckes p über mehrere, bevor- zugt mindestens drei, Perioden T der Oszillationsbewegung der Kolbeneinrichtung 26. Dies verringert die technischen Anforderungen an die Bauelemente der Freikolbenvorrichtung 10.
Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels kann vorgesehen sein, dass sich nicht eine gesamte, den Rückfederraum 90 begrenzende, Wand bewegt. Denkbar ist beispielsweise, dass sich nur ein bestimmter Wandabschnitt einer den Rückfederraum 90 begrenzenden Wand bewegt, um das Gas im Rückfederraum 90 zu verdrängen.
Mittels der Freikolbenvorrichtung 10 ist es möglich, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, bei der die Rückstell kraft F im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 gesteuert und/oder geregelt wird, wobei der Sollwert mindestens einer Zustandsgröße des Gases im Rückfederraum 90 vorgebbar ist, der Istwert der mindestens einen Zustandsgröße erfasst wird und bei Abweichen vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
Die Durchführung des Verfahrens wurde bereits obenstehend bei der Beschreibung der Funktionsweise der Freikolbenvorrichtung 10 erläutert.
Als Zustandsgröße des Gases wird dabei der Gasdruck p im Rückfederraum 90 verwendet, dessen Sollwert so vorgegeben sein kann, dass damit ein bestimmter Arbeitspunkt der Freikolbenvorrichtung 10 erzielt werden kann. Weicht der Istwert des Gasdrucks p vom Sollwert ab, so kann die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 die Antriebseinrichtung 108 aktivieren, wodurch der Gasdruck p im Rückfederraum 90 steuerbar und/oder regelbar ist, wie obenstehend beschrieben.
Der Sollwert das Gasdrucks p kann hierbei beispielsweise definiert sein als ein mittlerer Druck während des Betriebes, oder auch als ein Druck zu festgelegten Zeitpunkten des Betriebes der Freikolbenvorrichtung 10, beispiels- weise der Druck pmax im oberen Totpunkt OT oder der Druck pmm im unteren Totpunkt UT (Figur 3).
Eine weitere Freikolbenvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 als Ganzes mit dem Bezugszeichen 150 belegt. Grundsätzlich gleiche Bauteile wie bei dem Ausführungsbeispiel 10 werden mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei der Freikolbenvorrichtung 150 ist die Kolbeneinrichtung 26 in einer Kolbenaufnahme 152 verschieblich angeordnet. Die Kolbenaufnahme 152 wird gebildet durch ein Zylindergehäuse 154. Das Zylindergehäuse 154 weist eine erste stirnseitige Wand 156 auf, welche eine erste Stirnseite 158 der Kolben- aufnähme 152 bildet. Der ersten stirnseitigen Wand 156 liegt eine zweite stirnseitige Wand 160 gegenüber, welche eine zweite Stirnseite 162 der Kolbenaufnahme 152 bildet.
Die Kolbeneinrichtung 26 ist in einem Innenraum 164 des Zylindergehäuses 154 positioniert.
Zwischen der Kolbenfläche 36 des Kolbens 34 und der stirnseitigen Wand 160 ist ein Kompressionsraum in Form eines Rückfederraumes 166 gebildet. In dem Rückfederraum 166 ist ein kompressibles Fluid, insbesondere ein Gas wie beispielsweise Luft, aufgenommen.
Das Gas kann durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 26 komprimiert werden und dadurch Energie zumindest teilweise "elastisch" aufnehmen, die während eines Expansionstaktes nicht von dem Lineartrieb 68 ausgekoppelt wurde. Entsprechend kann das Gas im Rückfederraum 166 die Energie freigeben, indem es beispielsweise expandiert und die Kolbeneinrichtung 26 in Richtung der stirnseitigen Wand 156 treibt.
Am Rückfederraum 166 ist der Drucksensor 102 angeordnet. Beispielsweise ist er an der zweiten stirnseitigen Wand 160 angeordnet. Die zweite stirnseitige Wand 160 kann hierfür eine Ausnehmung aufweisen, in der der Drucksensor 102 angeordnet ist. Insbesondere kann eine aktive Sensorflächen der Kolbenfläche 36 des Kolbens 34 zugewandt sein. Mittels des Drucksensors 102 ist der Druck im Rückfederraum 166 messbar und insbesondere zeitaufgelöst messbar.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass am Rückfederraum 166 der Temperatursensor 104 angeordnet ist. Mittels des Temperatursensors 104 ist die Temperatur im Rückfederraum 166 erfassbar.
Die zweite stirnseitige Wand 160 weist mindestens eine Öffnung auf, an der mindestens ein Ventil angeordnet ist. Insbesondere weist die stirnseitige Wand 160 eine erste Öffnung 168 auf, der ein Einlassventil 170 zugeordnet ist, und eine zweite Öffnung 172, der ein Auslassventil 174 zugeordnet ist.
Mittels des Einlassventils 170 kann die erste Öffnung 168 des Rückfeder- raumes 166 geöffnet und geschlossen werden, und entsprechend kann mittels des Auslassventils 174 die zweite Öffnung 172 des Rückfederraumes 166 geöffnet und geschlossen werden.
Das Einlassventil 170 und das Auslassventil 174 können von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 zeitlich definiert gesteuert werden.
Das Einlassventil 170 und das Auslassventil 174 können magnetisch und/oder elektrisch und/oder mechanisch betätigbar sein. Insbesondere kann es sich um Ventile mit einer kurzen Schaltzeit, vorzugsweise bis zu einigen MiIIi- Sekunden, handeln. Ventile mit einer Schaltzeit von wenigen Millisekunden werden beispielsweise von der Firma "Lotus Engineering" hergestellt. Über das Einlassventil 170 führt eine Gasleitung, insbesondere eine Zuführleitung 176, zu einem Gasreservoir, beispielsweise einem Gasspeicher 178. Bei geöffnetem Einlassventil 170 kann dadurch eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Rückfederraum 166 und dem Gasspeicher 178 durch die Zu- führleitung 176 bestehen.
In der Zuführleitung 176 ist ein Gasmengensensor in Form eines Volumenstromsensors 180 angeordnet. Mittels des Volumenstromsensors 180 ist es möglich, eine durch die Zuführleitung 176 strömende Gasmenge zu erfassen. Der Volumenstromsensor 180 kann sein Messsignal der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 über eine Signalleitung bereitstellen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Gasdruck in dem Gasspeicher 178 größer ist als der Gasdruck p im Rückfederraum 166. Auf diese Weise kann durch das Öffnen des Einlassventils 170 eine bestimmte Menge Gas vom Gasspeicher 178 durch die Zuführleitung 176 in den Rückfederraum 166 strömen. Diese Gasströmung resultiert aus dem Druckgefälle zwischen dem Gasdruck p im Rückfederraum 166 und dem Druck im Gasspeicher 178. Diese Menge kann mittels des Volumenstromsensors 180 erfasst und der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 mitgeteilt werden.
Über das Auslassventil 174 führt eine Gasleitung, insbesondere eine Abführleitung 182, vom Rückfederraum 166 zu einem Gasreservoir, beispielsweise einem Gasspeicher 184. Bei geöffnetem Auslassventil 174 kann dadurch eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Rückfederraum 166 und dem Gasspeicher 184 durch die Abführleitung 182 bestehen. Es kann vorgesehen sein, dass in der Abführleitung 182 ein Volumenstromsensor 186 angeordnet ist, der eine durch die Abführleitung 182 strömende Gasmenge erfassen kann. Insbesondere kann der Volumenstromsensor 186 der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 sein Messsignal über eine Signalleitung bereitstellen.
Es ist möglich, dass der Gasdruck in dem Gasspeicher 184 geringer ist als der Druck im Rückfederraum 166. Beim Öffnen des Auslassventils 174 strömt infolge des Druckgefälles eine bestimmte Menge Gas vom Rückfederraum 166 durch die Abführleitung 182 zum Gasspeicher 184. Die Gasmenge kann mittels des Volumenstromsensors 186 erfasst werden und der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 84 mitgeteilt werden.
Es ist also möglich, durch Öffnen des Einlassventils 170 oder des Auslass- ventils 174 Gas vom Rückfederraum 166 abzuführen oder dem Rückfederraum 166 zuzuführen. Dies erlaubt es, die Gasmasse und/oder die Gasmenge im Rückfederraum 166 einzustellen durch Erhöhen oder Verringern der Gasmasse und/oder Gasmenge.
Beispielsweise lässt sich dem Rückfederraum 166 mehr Gas zuführen, so dass sich die Gasmasse und die Gasmenge im Rückfederraum 166 erhöht. Umgekehrt lässt sich aus dem Rückfederraum 166 Gas abführen, so dass sich die Gasmasse und die Gasmenge im Rückfederraum 166 verringert.
Eine Variante der Freikolbenvorrichtung 150 weist nur ein am Rückfederraum 166 angeordnetes Ventil auf, nach dessen Öffnen Gas dem Rückfederraum 166 zugeführt oder von diesem abgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit der Freikolbenvorrichtung 150 wie folgt durchgeführt werden :
Wie bereits erläutert, ist die von dem Gas im Rückfederraum 166 auf die Kolbeneinrichtung 26 ausgeübte Rückstellkraft F dem Gasdruck p im Rückfederraum 166 proportional. Über diese Beziehung lässt sich die Rückstell kraft F mittels des Gasdrucks p ausdrücken.
Insbesondere ist es möglich, die vom Gas auf die Kolbeneinrichtung 26 ausgeübte Rückstell kraft zu steuern und/oder zu regeln, indem der Gasdruck p im Rückfederraum 166 gesteuert und/oder geregelt wird.
Der Druck p im Rückfederraum 166 ist hierbei eine Zustandsgröße des Gases. Sein Sollwert ist vorgebbar und kann beispielsweise durch einen gewünschten Arbeitspunkt der Freikolbenvorrichtung 150 gegeben sein. Der Sollwert kann ein mittlerer Druck sein, es ist aber auch möglich, dass es ein zu festgelegten Zeitpunkten während des Betriebes der Freikolbenvorrichtung 150 definierter Druck ist.
Der Istwert des Druckes ist mittels des Drucksensors 102 messbar. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Istwert zumindest näherungsweise an den Sollwert angeglichen wird.
Nach der Zustandsgieichung eines idealen Gases ist der Gasdruck p der Gasmasse m des Gases proportional. Das gibt die Möglichkeit, den Gasdruck p (beispielsweise bezogen auf eine feste Position der Kolbeneinrichtung 26) im Rückfederraum 166 mittels der Gasmasse im Rückfederraum 166 einzustellen. Beispielsweise kann die Gasmasse m im Rückfederraum 166 durch Öffnen des Einlassventils 170 erhöht werden, indem Gas aus dem Gasspeicher 178 durch die Zuführleitung 176 in den Rückfederraum 166 strömt. Dadurch erhöht sich der Gasdruck im Rückfederraum 166.
Die Gasmasse m im Rückfederraum 166 kann durch Öffnen des Auslassventils 174 verringert werden; Gas strömt aus dem Rückfederraum 166 durch die Abführleitung 182 in den Gasspeicher 184. Dadurch verringert sich der Gas- druck p im Rückfederraum 166.
Es kann vorgesehen sein, dass das Einlassventil 170 und/oder das Auslassventil 174 von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 definiert geöffnet und/oder geschlossen werden, um die Gasmasse m im Rückfeder- räum 166 zu erhöhen und/oder zu verringern.
Der Gasdruck p ist mittels des Drucksensors 102 zeitaufgelöst messbar, wobei das Messsignal der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 bereitgestellt werden kann. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 kann das Einlassventil 170 und/oder das Auslassventil 174 in Abhängigkeit des Messsignals des Drucksensors 102 öffnen und/oder schließen. Auf diese Weise kann die Gasmasse im Rückfederraum 166 so lange erhöht bzw. verringert werden, bis der Istwert des Gasdruckes p im Rückfederraum 166 zumindest näherungsweise an den Sollwert angeglichen ist.
Auf diese Weise ist es möglich, den Gasdruck p mittels der Stellung des Einlassventils 170 und/oder des Auslassventils 174 über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 zu steuern und/oder zu regeln. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 auswertet, welche Gasmasse m beim Öffnen des Einlassventils 170 oder des Auslassventils 174 dem Rückfederraum 166 zugeführt bzw. von ihm abgeführt wird :
Die Gasmasse m ist beispielsweise der Gasmenge proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor die Gasdichte ist. Die zu- oder abgeführte Gasmenge lässt sich mittels der Volumenstromsensoren 180 bzw. 186 erfassen und die ent- sprechenden Messwerte der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 48 bereitstellen. Diese kann dann die entsprechenden Gasmassen errechnen.
Infolge der Beziehung zwischen dem Gasdruck p im Rückfederraum 166 und der von dem Gas auf die Kolbeneinrichtung 26 und insbesondere den zweiten Kolben 34 ausgeübte Rückstell kraft F wird dadurch auch letztere gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft erfolgt im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 150.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einstellung und/oder Steuerung und/oder Regelung nur zu bestimmten Zeitpunkten erfolgt, beispielsweise innerhalb eines Zeitfensters ZF, das zeitlich betrachtet um den unteren Totpunkt UT der Kolbeneinrichtung 26 bezogen auf die zweite Stirnwand 160 angeordnet ist (Figur 3). In diesem Fall ist der Gasdruck p im Rückfederraum 166 nahe seinem Minimum pmιn. Dies vereinfacht es, dem Rückfederraum 166 eine bestimmte Menge an Gas zuzuführen oder eine bestimmte Menge an Gas von ihm von abzuführen. Indem die von dem Gas im Rückfederraum 166 auf die Kolbeneinrichtung 26 und insbesondere den zweiten Kolben 34 ausgeübte Rückstell kraft F gesteuert und/oder geregelt wird, ist es möglich, den Bewegungszustand der Kolbeneinrichtung 26 definiert zu ändern. Dies erlaubt es, eine verbesserte Abstimmung der Freikolbenvorrichtung 150, insbesondere eine Einstellung eines optimalen Arbeitspunktes derselben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme (12), in der mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) linear beweglich angeordnet ist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum (42) expandiert, antreibbar ist, und wobei die mindestens eine Kolbenaufnahme (12) einen Rückfederraum (90) aufweist, in dem ein komprimierbares Gas zum Ausüben einer Rückstell kraft auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) aufgenommen ist, und mindestens ein Stellorgan (98) zur Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft, welches an dem Rückfederraum (90) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rückstell kraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung (10) steuerbar und/oder regelbar ist.
2. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stellorgan (98) bewegbar ist.
3. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stellorgan (98) feststellbar bewegbar ist.
4. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stellorgan (98) verschiebbar ist.
5. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungsrichtung des mindestens einen Stellorgans (98) parallel zur Bewegungsrichtung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) ist.
6. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Stellorgan (98) zur Bewegung ein Antrieb (108) zugeordnet ist.
7. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (108) steuerbar ist.
8. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellorgan (98) als ein den Rückfederraum (90) begrenzender Wandabschnitt (96) gebildet ist.
9. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (96) einer Stirnseite (22) der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) gegenüberliegt.
10. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt (96) durch eine Kolbenfläche (98) gebildet ist.
11. Freikolbenvorrichtung nach einem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Positionssensor (110) vorgesehen ist, der mit dem mindestens einen Stellorgan (98) zusammenwirkt.
12. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Positionssensor (110) so ausgebildet ist, dass die Position des mindestens einen Stellorgans (98) relativ zu der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) erfassbar ist.
13. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Positionssensor (110) so ausgebildet ist, dass eine Bewegung des mindestens einen Stellorgans (98) erfassbar ist.
14. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (48) vorgesehen ist, mittels derer die Freikolbenvorrichtung (10) steuerbar und/oder regelbar ist.
15. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (48) die Rückstellkraft mittels des mindestens einen Stellorgans (98) steuerbar und/oder regelbar ist.
16. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft gemäß eines Signals eines Positionssensors (110) steuerbar und/oder regelbar ist.
17. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (102) an dem Rückfederraum (90) angeordnet ist.
18. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Drucksensor (102) so ausgebildet ist, dass damit der Druck im Rückfederraum (90) zeitaufgelöst messbar ist.
19. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Lineartrieb (68) vorgesehen ist.
20. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kolbeneinrichtung (26) eine Läufervorrichtung (70) umfasst und dass an der mindestens einen Kolbenaufnahme (12) eine Statorvorrichtung (72) angeordnet ist.
21. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenhub über den Lineartrieb (68) derart variabel einstellbar ist, dass die Totpunkte (OT, UT) der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (26) definierbar sind.
22. Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, bei dem mindestens eine Kolbeneinrichtung, die in mindestens einer Kolbenaufnahme linear beweglich geführt wird, unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, angetrieben wird, und bei dem auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung durch ein komprimierbares Gas, welches in einem Rückfederraum der mindestens einen Kolbenaufnahme aufgenommen ist, eine Rückstellkraft ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zu- standsgröße des Gases im Rückfederraum vorgegeben ist, der Istwert der mindestens einen Zustandsgröße erfasst wird und bei Abweichen vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Rückfederraum zeitaufgelöst gemessen wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellorgan bewegt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben verschoben wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des mindestens einen Stellorgans oder des Kolbens zeitaufgelöst gemessen wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft über die Einstellung der Gasmasse im Rückfederraum erfolgt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft über die Einstellung der Gasmenge im Rückfederraum erfolgt.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass Gas dem Rückfederraum zugeführt wird oder dass Gas vom Rückfederraum abgeführt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil betätigt wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Rückfederraum mittels einer Position mindestens eines Stellorgans oder eines Kolbens und/oder mittels einer Stellung mindestens eines Ventils gesteuert und/oder geregelt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass bei periodischem Betrieb der Freikolbenvorrichtung die Rückstellkraft auf einer Zeitskala größer als eine Arbeitsperiode, gesteuert und/oder geregelt wird.
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