EP2573358A2 - Freikolbenmotor - Google Patents

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EP2573358A2
EP2573358A2 EP12006682A EP12006682A EP2573358A2 EP 2573358 A2 EP2573358 A2 EP 2573358A2 EP 12006682 A EP12006682 A EP 12006682A EP 12006682 A EP12006682 A EP 12006682A EP 2573358 A2 EP2573358 A2 EP 2573358A2
Authority
EP
European Patent Office
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piston
free
piston engine
combustion chamber
working gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12006682A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2573358A3 (de
Inventor
Heinz Weitner
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2573358A2 publication Critical patent/EP2573358A2/de
Publication of EP2573358A3 publication Critical patent/EP2573358A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby

Definitions

  • the invention relates to a free-piston engine having at least one cylinder, in which at least one piston is displaceably guided, according to the preamble of patent claim 1.
  • a generic free-piston engine known. This has a cylinder in which a piston is slidably held. Within the cylinder, a compression space for pre-compression of a working gas is provided. In addition, the cylinder forms a combustion chamber in which the working gas or its combustible constituents are burned. The piston is designed as a stepped piston, so that the combustion chamber has a different shape from the ideal cylindrical shape. This fissured combustion chamber shape has a disadvantageous effect on the combustion dynamics, which leads in particular in the range of the rated power to incomplete combustion of the combustible components in the working gas. This disadvantage has prevented the commercial use of this known free-piston engine.
  • the invention has for its object to provide a free-piston engine of the type mentioned, which is characterized by a simple structure with few moving parts and a high overall efficiency.
  • the free-piston engine according to claim 1 has at least one cylinder in which at least one piston is displaceably guided.
  • the design of the engine as a free-piston engine has the advantage that the piston does not engage a connecting rod in order to transform the piston movement into a rotational movement of the piston shaft.
  • a connecting rod causes in particular friction losses in the connecting rod bearing.
  • the connecting rod exerts a radially acting force which presses the piston against the cylinder wall. This force leads according to the Coulomb's law of friction to a frictional force which counteracts the piston movement and thus removes kinetic energy from the piston.
  • the free-piston engine In the free-piston engine, this loss practically does not occur, since the piston bears at most with its own weight on the cylinder wall, so that the friction forces are extremely low. In particular, in the vertical direction of movement of the piston even the weight of the piston is harmless, so that the piston is practically frictionless in the cylinder movable. This leads to a high mechanical efficiency of the motor.
  • the free-piston engine is functional without connecting rod and crankshaft, he must still have a compression chamber in addition to the combustion chamber known in conventional internal combustion engines. In this compression chamber, the working gas is compressed before it is transferred to the combustion chamber. In the combustion chamber itself, the working gas is burned so that it can perform mechanical work on the piston by the associated expansion.
  • the chemical efficiency expresses how much of the chemical energy is actually converted into heat. In particular, incomplete combustion of the working gas results in an unsatisfactory efficiency.
  • the thermal efficiency takes into account heat losses within the motor through convection and heat radiation to the outside. Through these processes, the working gas is deprived of thermal energy, which then can no longer perform work on the piston by expansion.
  • a compact combustion chamber is desirable. This is inventively realized in that the combustion chamber and the compression chamber have the same outer contour.
  • the piston forms the boundary between the compression chamber and the combustion chamber and divides these two spaces from each other.
  • the cylinder In the range of movement of the piston, the cylinder is therefore translated translationally symmetrical, resulting in a geometric compact and in particular not fissured combustion chamber leads.
  • This favorable combustion chamber shape leads to an almost complete combustion of the working gas.
  • this results in a very favorable ratio between the combustion chamber surface and the combustion chamber volume, so that thermal losses due to heat conduction and radiation through the cylinder wall remain low.
  • This leads to a very favorable thermal efficiency of the free-piston engine.
  • both can be connected to one another by at least one overflow channel.
  • the compressed working gas can flow from the compression chamber into the combustion chamber.
  • the piston prevents an uncontrolled gas exchange between the compression chamber and the combustion chamber.
  • the overflow channel is designed such that it connects the compression chamber with the combustion chamber only at certain time periods of a movement cycle of the piston.
  • the overflow channel could be controlled by means of valves, for example.
  • the valve control operating synchronously with the piston movement requires considerable effort. It is easier if the overflow according to claim 2 is exclusively closed by the piston.
  • the closing and opening of the overflow requires no additional moving components, which reduces the overall cost of the free-piston engine. In addition, no additional energy for driving the overflow is needed in this way.
  • the free-piston engine Since the free-piston engine has neither connecting rod nor crankshaft, he also lacks a corresponding flywheel, which stores mechanical energy to compress the working gas. To remedy this situation, it is advantageous according to claim 3, if at least two of the pistons are fixedly coupled together. Thus, the one piston can compress the working gas in the compression chamber, while the other piston is actuated by expanding in the combustion chamber working gas. In this way, no kinetic energy needs to be stored. The work done on one of the pistons is used directly and without intermediate storage partly for the compression work on the other piston. The fixed coupling also leads to no additional friction loss, which in turn has a positive effect on the efficiency of the free-piston engine.
  • the free-piston engine according to the invention must also have a targeted energy delivery option. Without them, the free-piston engine would be purely an end in itself and useless in practice. Since the free-piston engine basically has no connecting rod and crankshaft, it has no rotation-driven shaft, as it is known from conventional internal combustion engines. On the other hand, it would not be appropriate to forego the simple structure of the free-piston engine for this purpose. Basically, the piston oscillation could be used directly, if for example with the free-piston engine Pump should be operated. This would then expediently designed as a piston pump.
  • the fields of application which can be realized would be low, since the by far largest field of application of internal combustion engines requires a rotating shaft as the energy transmission medium.
  • the linear generator has coils and possibly permanent magnets, which are shifted from each other. In this case, an electrical voltage is induced in the coils due to the moving magnetic fields, which can be tapped at the coil ends.
  • the linear generator converts the oscillatory piston movement directly into an alternating electrical current, which can be used for a wide variety of purposes.
  • the alternating current can be used for example for applications in vehicles to drive electric motors.
  • the alternating current can be redirected in order to be fed in both the frequency and phase position as well as the peak voltage in the mains voltage can.
  • the free-piston engine as a combined heat and power plant are conceivable.
  • the coupling of the linear generator with the piston is preferably carried out by a rigid rod, so that this coupling does not cause any additional frictional forces.
  • the frequency of the alternating voltage generated by the linear generator always coincides exactly with the piston frequency.
  • the AC voltage generated by the linear generator be used directly to measure the piston frequency.
  • the linear generator is in controlling operative connection with a controller which influences the frequency of the piston movement.
  • a controller may, for example, affect the fuel supply to keep in this way the frequency of the piston movement within a predetermined frequency range. In particular, during large load changes such a regulator automatically prevents the stalling or overspeeding of the free-piston engine.
  • the phase of the piston movement is regulated, a particularly precise alternating current can be generated, which can be coupled into the network, in particular without subsequent rectification and phase-accurate alternating direction. For this purpose, only the phase control of the piston movement must be network synchronized.
  • a transformer which is dispensable, however, with suitable dimensioning of the linear generator.
  • the working gas before entry into the compression space contains at least one fuel.
  • the mixture preparation of the working gas is therefore outside the cylinder, preferably as intake manifold injection. This results in a simple structure, and opens the possibility to regulate the fuel-air mixture in its composition ( ⁇ control). Especially at gar strict free-piston engines, this structure is preferable.
  • At least one injection nozzle for injecting at least one fuel is provided in the combustion chamber.
  • the compression of the working gas can be optimized both in the compression chamber and in the combustion chamber without regard to autoignition temperatures of the fuel.
  • the thermal efficiency can be improved in this way.
  • means for controlling the injector are required, whereby the structure is correspondingly more complex.
  • At least one spark plug may be provided in the combustion chamber according to claim 9, through which the working gas is ignited.
  • a spark ignition engine results, which is particularly advantageous in those cases in which the mixture preparation of the working gas takes place outside the cylinder.
  • the free-piston engine requires no connecting rod on the piston, only negligible forces occur transversely to the piston movement direction. These are caused almost exclusively by the weight of the piston. Especially with vertical alignment of the piston movement even this weight is neutralized. For this reason, there is a particularly low friction of the piston on the cylinder inner wall. For this reason, the piston can be operated according to claim 10 without loss of lubrication, ie in dry running. This eliminates the need for the fuel to add a corresponding oil for lubrication of the piston, which would be lost in the combustion process. It is also not necessary to install a pressure circulation lubrication, which would reduce the efficiency of the free-piston engine. Without lubrication system also eliminates maintenance intervals for changing the lubricating oil. This reduces the total manufacturing and maintenance costs of the free-piston engine.
  • a free-piston engine 1 according to FIG. 1 consists of two cylinders 2, in which pistons 3 are guided axially displaceable.
  • the pistons 3 are firmly connected to each other via a piston rod 4, so that their movements are coupled together.
  • a rotor 5 of a linear generator 6 is set between the two pistons 3.
  • This rotor 5 is designed as a permanent magnet, wherein alternatively is intended to a current-carrying coil.
  • the rotor 5 is moved axially due to its coupling to the piston rod 4 with the piston 3. As a result, the rotor 5 generates an oscillating magnetic field which penetrates a stator 7.
  • the stator 7 has a series of coils 8 arranged axially next to one another. In these coils 8, the aforementioned magnetic field induces a voltage that can be tapped at the coil ends.
  • the linear generator 6 has the advantage over a conventional rotary generator that it can directly convert the oscillatory sliding movement of the pistons 3 into an alternating electrical current. A transformation of the oscillatory sliding movement of the piston 3 in a rotary rotary motion is therefore unnecessary.
  • the linear generator 6 generates an AC voltage in the coils 8, which can be used for any purpose.
  • This alternating voltage is also fed to a frequency measuring device 9, which is one of the alternating voltage frequency proportional voltage generated.
  • the frequency measuring device 9 could also output a digital value corresponding to the AC voltage frequency.
  • the frequency signal of the frequency measuring device 9 is transmitted via a signal path 10 to a controller 11. This compares the frequency signal with an internal reference and generates a control signal.
  • the controller 11 preferably has a P, PI or PID behavior.
  • the controller 11 is in operative connection with the mixture preparation 12, which supplies a flow of air dependent on the controller 11 amount of fuel.
  • the fuel-laden air then passes via an intake 13 in the two cylinders. 2
  • the structure of the two mirror-symmetrically arranged cylinder 2 is based on the enlarged detail in accordance with FIG. 2 explained in more detail.
  • the cylinder 2 consists of a cylinder wall 20, a cover plate 21 and a cylinder head 22nd These parts are firmly connected to each other by means not shown screws and sealed by means of seals 23.
  • the cylinder wall 20 has a circumferential cavity 24, through which a coolant, in particular water, runs. This coolant ensures that the cylinder wall 20 remains within a permissible temperature range in which even used lubricants unfold their full effect.
  • a coolant in particular water
  • This coolant ensures that the cylinder wall 20 remains within a permissible temperature range in which even used lubricants unfold their full effect.
  • the piston 3 has covers 27 of different lengths, which open the inlet 25 and the outlet 25 only in certain positions of the piston 3.
  • an overflow channel 28 is also provided, which is also closed and opened by the piston 3.
  • This overflow channel 28 connects at a certain piston position located behind the piston compression chamber 29 with a lying in front of the piston 3 combustion chamber 30.
  • This overflow channel 28 is substantially only open at piston positions that close to the in FIG. 2 are shown piston position.
  • the cylinder head 22 closes the cylinder 2 on the outside. Also in the cylinder head 22, a cavity 31 is provided, which is traversed by the coolant. In the cylinder head 22, a spark plug 32 is also provided, which ignites the working gas in the combustion chamber 30. Alternatively, instead of the spark plug 32, an injection nozzle may be provided which injects fuel into the combustion chamber 30.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Freikolbenmotor (1) weist mindestens einen Zylinder (2) auf, in dem mindestens ein Kolben (3) verschiebbar geführt ist. Der Zylinder weist mindestens einen Verdichtungsraum (29) zum Verdichten eines Arbeitsgases und mindestens einen Brennraum (30) zum Verbrennen des Arbeitsgases auf. Zur Erzielung eines hohen chemischen und thermischen Wirkungsgrades weisen der Brennraum (30) und der Verdichtungsraum (29) die gleiche Außenkontur auf. Sie sind voneinander durch den Kolben (3) trennbar. Ein Überströmkanal (28) kann den Verdichtungsraum (29) mit dem Brennraum (30) verbinden. Auf diese Weise ergibt sich ein nicht zerklüfteter Brennraum (30), der eine vollständige Verbrennung des Arbeitsgases und geringe thermische Verluste zur Folge hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit mindestens einem Zylinder, in dem mindestens ein Kolben verschiebbar geführt ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der DE-A-1 451 662 ist ein gattungsgemäßer Freikolbenmotor bekannt. Dieser weist einen Zylinder auf, in dem ein Kolben verschiebbar gehalten ist. Innerhalb des Zylinders ist ein Verdichtungsraum zum Vorverdichten eines Arbeitsgases vorgesehen. Außerdem bildet der Zylinder einen Brennraum, in dem das Arbeitsgas bzw. dessen brennbare Bestandteile verbrannt werden. Der Kolben ist dabei als Stufenkolben ausgebildet, so dass der Brennraum eine von der idealen zylindrischen Gestalt abweichende Form aufweist. Diese zerklüftete Brennraumform wirkt sich nachteilig auf die Verbrennungsdynamik aus, was insbesondere im Bereich der Nennleistung zu einer unvollständigen Verbrennung der brennbaren Anteile im Arbeitsgas führt. Dieser Nachteil hat den kommerziellen Einsatz dieses bekannten Freikolbenmotors verhindert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Freikolbenmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch einen einfachen Aufbau mit wenigen beweglichen Teilen und einen hohen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Der Freikolbenmotor gemäß Anspruch 1 weist mindestens einen Zylinder auf, in dem mindestens ein Kolben verschiebbar geführt ist. Die Ausbildung des Motors als Freikolbenmotor hat den Vorteil, dass am Kolben kein Pleuel angreift, um die Kolbenbewegung in eine Drehbewegung der Kolbenwelle umzuformen. Ein derartiges Pleuel verursacht insbesondere Reibungsverluste im Pleuellager. Zusätzlich übt das Pleuel aufgrund seiner Schrägstellung auf den Kolben eine radial wirkende Kraft aus, die den Kolben gegen die Zylinderwand drückt. Diese Kraft führt nach dem Coulombschen Reibungsgesetz zu einer Reibungskraft, die der Kolbenbewegung entgegenwirkt und damit dem Kolben Bewegungsenergie entnimmt. Beim Freikolbenmotor tritt dieser Verlust praktisch nicht auf, da der Kolben höchstens mit seinem eigenen Gewicht an der Zylinderwand anliegt, so dass die Reibungskräfte äußerst gering sind. Insbesondere bei vertikaler Bewegungsrichtung des Kolbens ist selbst die Gewichtskraft des Kolbens unschädlich, so dass der Kolben praktisch reibungsfrei im Zylinder bewegbar ist. Dies führt zu einem hohen mechanischen Wirkungsgrad des Motors. Damit der Freikolbenmotor ohne Pleuel und Kurbelwelle funktionstüchtig ist, muss er neben dem bei üblichen Verbrennungsmotoren bekannten Brennraum noch einen Verdichtungsraum aufweisen. In diesem Verdichtungsraum wird das Arbeitsgas verdichtet, ehe es in den Brennraum überführt wird. Im Brennraum selbst wird das Arbeitsgas verbrannt, damit es durch die damit verbundene Expansion mechanische Arbeit am Kolben verrichten kann.
  • Bei der Betrachtung des gesamten Wirkungsgrades eines Motors ist nicht nur der mechanische Wirkungsgrad zu betrachten, es ist vielmehr auch der chemische und thermische Wirkungsgrad zu berücksichtigen. Der chemische Wirkungsgrad drückt aus, wie viel der eingebrachten chemischen Energie tatsächlich in Wärme umgesetzt wird. Insbesondere bei unvollständiger Verbrennung des Arbeitsgases ergibt sich ein nicht zufrieden stellender Wirkungsgrad. Der thermische Wirkungsgrad berücksichtigt Wärmeverluste innerhalb des Motors durch Konvektion und Wärmestrahlung nach außen. Durch diese Prozesse wird dem Arbeitsgas thermische Energie entzogen, die anschließend nicht mehr durch Expansion Arbeit am Kolben verrichten kann. Um sowohl den chemischen Wirkungsgrad als auch den thermischen Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, ist ein kompakter Brennraum wünschenswert. Dieser wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass der Brennraum und der Verdichtungsraum die gleiche Außenkontur aufweisen. Dabei bildet der Kolben die Grenze zwischen dem Verdichtungsraum und dem Brennraum und teilt diese beiden Räume voneinander ab. Im Bewegungsbereich des Kolbens ist der Zylinder demnach translationssymmetrisch geformt, was zu einem geometrisch kompakten und insbesondere nicht zerklüfteten Brennraum führt. Diese günstige Brennraumform führt zu einer nahezu vollständigen Verbrennung des Arbeitsgases. Außerdem ergibt sich auf diese Weise ein sehr günstiges Verhältnis zwischen der Brennraumoberfläche und dem Brennraumvolumen, so dass thermische Verluste durch Wärmeleitung und Strahlung durch die Zylinderwand gering bleiben. Dies führt damit zu einem sehr günstigen thermischen Wirkungsgrad des Freikolbenmotors. Zur Durchführung des erforderlichen Ladungswechsels zwischen dem Verdichtungsraum und dem Brennraum sind beide durch mindestens einen Überströmkanal miteinander verbindbar. Damit kann das verdichtete Arbeitsgas vom Verdichtungsraum in den Brennraum strömen. Der Kolben verhindert dabei einen unkontrollierten Gasaustausch zwischen dem Verdichtungsraum und dem Brennraum. Insbesondere ist der Überströmkanal derart ausgebildet, dass er den Verdichtungsraum mit dem Brennraum nur zu bestimmten Zeitabschnitten eines Bewegungszykluses des Kolbens verbindet.
  • Grundsätzlich könnte der Überstromkanal beispielsweise mittels Ventilen gesteuert werden. Allerdings erfordert die synchron zur Kolbenbewegung arbeitende Ventilsteuerung doch einen erheblichen Aufwand. Einfacher ist es, wenn der Überströmkanal gemäß Anspruch 2 ausschließlich vom Kolben verschließbar ist. Damit erfordert das Verschließen und Öffnen des Überströmkanals keine zusätzlichen beweglichen Bauteile, was den baulichen Aufwand des Freikolbenmotors insgesamt reduziert. Außerdem wird auf diese Weise keine zusätzliche Energie zum Ansteuern des Überströmkanals benötigt.
  • Da der Freikolbenmotor weder Pleuel noch Kurbelwelle aufweist, fehlt ihm auch eine entsprechende Schwungmasse, die mechanische Energie speichert, um das Arbeitsgas zu verdichten. Zur Behebung dieses Umstandes ist es gemäß Anspruch 3 vorteilhaft, wenn mindestens zwei der Kolben fest miteinander gekoppelt sind. Damit kann der eine Kolben das Arbeitsgas im Verdichtungsraum verdichten, während der andere Kolben vom in der Brennkammer expandierenden Arbeitsgas betätigt wird. Auf diese Weise muss keine Bewegungsenergie gespeichert werden. Die an einem der Kolben geleistete Arbeit wird vielmehr unmittelbar und ohne Zwischenspeicherung teilweise für die Verdichtungsarbeit am anderen Kolben genutzt. Die feste Kopplung führt auch zu keinem zusätzlichen Reibungsverlust, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad des Freikolbenmotors auswirkt.
  • Nachdem ein Verbrennungsmotor - gleichgültig welcher Bauart - grundsätzlich zur Umsetzung chemischer Energie in eine andere, gut verwertbare Energieform eingesetzt wird, muss auch der erfindungsgemäße Freikolbenmotor eine gezielte Energieabgabemöglichkeit aufweisen. Ohne diese wäre der Freikolbenmotor reiner Selbstzweck und für die Praxis nutzlos. Da der Freikolbenmotor grundsätzlich über keinerlei Pleuel und Kurbelwelle verfügt, besitzt er keinerlei zur Drehung angetriebene Welle, wie sie von herkömmlichen Verbrennungsmotoren bekannt ist. Andererseits wäre es nicht gerade zweckmäßig, für diesen Zweck auf den einfachen Aufbau des Freikolbenmotors zu verzichten. Grundsätzlich könnte die Kolbenschwingung direkt genutzt werden, wenn mit dem Freikolbenmotor beispielsweise eine Pumpe betrieben werden soll. Diese wäre dann zweckmäßigerweise als Kolbenpumpe ausgebildet. Die damit realisierbaren Anwendungsgebiete wären jedoch gering, da der bei weitem größte Anwendungsbereich von Verbrennungsmotoren eine sich drehende Welle als Energieübertragungsmittel voraussetzt. Vor diesem Hintergrund ist es gemäß Anspruch 4 vorteilhaft, wenn der mindestens eine Kolben mit mindestens einem Lineargenerator gekoppelt ist. Der Lineargenerator weist Spulen und gegebenenfalls Permanentmagnete auf, die gegeneinander verschoben werden. Dabei wird in den Spulen aufgrund der sich bewegenden Magnetfelder eine elektrische Spannung induziert, die an den Spulenenden abgegriffen werden kann. Damit setzt der Lineargenerator die oszillatorische Kolbenbewegung unmittelbar in einen elektrischen Wechselstrom um, der für unterschiedlichste Zwecke eingesetzt werden kann. Der Wechselstrom kann beispielsweise für Anwendungen in Fahrzeugen dazu genutzt werden, Elektromotoren anzutreiben. Bei Hausinstallationen kann der Wechselstrom umgerichtet werden, um sowohl bezüglich der Frequenz und Phasenlage als auch bezüglich der Spitzenspannung in die Netzspannung gespeist werden zu können. Damit sind beispielsweise Anwendungen des Freikolbenmotors als Blockheizkraftwerk denkbar. Die Kupplung des Lineargenerators mit dem Kolben erfolgt vorzugsweise durch eine starre Stange, so dass diese Kupplung keine zusätzlichen Reibungskräfte verursacht.
  • Die Frequenz der vom Lineargenerator erzeugten Wechselspannung stimmt stets exakt mit der Kolbenfrequenz überein. Damit kann die vom Lineargenerator erzeugte Wechselspannung unmittelbar dazu herangezogen werden, die Kolbenfrequenz zu messen. Gemäß Anspruch 5 ist es vorteilhaft, wenn der Lineargenerator in steuernder Wirkverbindung mit einem Regler steht, der die Frequenz der Kolbenbewegung beeinflusst. Ein derartiger Regler kann beispielsweise die Kraftstoffzufuhr beeinflussen, um auf diese Weise die Frequenz der Kolbenbewegung innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs zu halten. Insbesondere bei großen Lastwechseln verhindert ein derartiger Regler selbsttätig das Stocken oder Überdrehen des Freikolbenmotors. Wird statt oder zusätzlich zur Frequenz die Phase der Kolbenbewegung geregelt, so kann ein besonders präziser Wechselstrom erzeugt werden, der insbesondere ohne nachherige Gleichrichtung und phasengenauer Wechselrichtung in das Netz koppelbar ist. Hierzu muss lediglich die Phasenregelung der Kolbenbewegung netzsynchron erfolgen. Zur Anpassung an die Netzspannung kann gegebenenfalls noch ein Transformator vorgesehen sein, der allerdings bei geeigneter Dimensionierung des Lineargenerators entbehrlich ist.
  • Um den Freikolbenmotor und insbesondere den Bereich des Zylinders einfach zu gestalten, ist es gemäß Anspruch 6 vorteilhaft, wenn das Arbeitsgas vor Einlass in den Verdichtungsraum mindestens einen Brennstoff enthält. Die Gemischzubereitung des Arbeitsgases erfolgt demnach außerhalb des Zylinders, vorzugsweise als Saugrohreinspritzung. Dies ergibt einen einfachen Aufbau, und eröffnet die Möglichkeit, das Kraftstoff-Luft-Gemisch in seiner Zusammensetzung zu regeln (λ-Regelung). Insbesondere bei kleinbauenden Freikolbenmotoren ist dieser Aufbau vorzuziehen.
  • Alternativ ist es gemäß Anspruch 7 günstig, wenn im Brennraum mindestens eine Einspritzdüse zum Einspritzen mindestens eines Kraftstoffs vorgesehen ist. Damit kann die Verdichtung des Arbeitsgases sowohl im Verdichtungsraum als auch im Brennraum ohne Rücksicht auf Selbstentzündungstemperaturen des Kraftstoffs optimiert werden. Insbesondere bei großbauenden Freikolbenmotoren kann auf diese Weise der thermische Wirkungsgrad verbessert werden. Allerdings sind auf diese Weise Mittel zum Steuern der Einspritzdüse erforderlich, wodurch der Aufbau entsprechend komplexer wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Arbeitsgas gemäß Anspruch 8 beim Einspritzen in den Brennraum aufgrund seiner Temperatur sich entzündet. Auf diese Weise ergibt sich ein Selbstzündungsmotor, der jegliche zusätzliche Zündkerzen entbehrlich macht. Konsequenterweise müssen in diesem Fall auch keinerlei Mittel zum zeitrichtigen Ansteuern der Zündkerzen vorgesehen sein. Auf diese Weise vereinfacht sich der Aufbau des Freikolbenmotors entsprechend.
  • Alternativ kann im Brennraum gemäß Anspruch 9 auch mindestens eine Zündkerze vorgesehen sein, durch die das Arbeitsgas entzündet wird. Auf diese Weise ergibt sich ein Fremdzündungsmotor, der insbesondere in jenen Fällen vorteilhaft ist, in denen die Gemischzubereitung des Arbeitsgases außerhalb des Zylinders erfolgt.
  • Da der Freikolbenmotor keinerlei Pleuel am Kolben benötigt, treten auch nur vernachlässigbar kleine Kräfte quer zur Kolbenbewegungsrichtung auf. Diese werden praktisch ausschließlich von der Gewichtskraft des Kolbens hervorgerufen. Insbesondere bei vertikaler Ausrichtung der Kolbenbewegung wird selbst diese Gewichtskraft neutralisiert. Aus diesem Grund ergibt sich eine besonders geringe Reibung des Kolbens an der Zylinderinnenwand. Aus diesem Grund kann der Kolben gemäß Anspruch 10 ohne Verlustschmierung, also im Trockenlauf betrieben werden. Damit entfällt die Notwendigkeit, dem Kraftstoff ein entsprechendes Öl zur Schmierung des Kolbens beizumischen, welches im Verbrennungsprozess verloren ginge. Es ist auch nicht erforderlich, eine Druckumlaufschmierung zu installieren, die den Wirkungsgrad des Freikolbenmotors herabsetzen würde. Ohne Schmiersystem entfallen auch Wartungsintervalle zum Wechseln des Schmieröls. Damit reduziert sich der gesamte Herstellungs- und Wartungsaufwand des Freikolbenmotors.
  • Der Erfindungsgegenstand wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, ohne den Schutzumfang zu beschränken.
  • Es zeigt:
    • Figur 1
    eine räumliche Schnittdarstellung eines Freikolbenmotors und
    Figur 2
    einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1.
  • Ein Freikolbenmotor 1 gemäß Figur 1 besteht aus zwei Zylindern 2, in denen Kolben 3 axial verschiebbar geführt sind. Die Kolben 3 sind über eine Kolbenstange 4 fest miteinander verbunden, so dass deren Bewegungen miteinander gekoppelt sind.
  • An der Kolbenstange 4 ist zwischen den beiden Kolben 3 ein Läufer 5 eines Lineargenerators 6 festgelegt. Dieser Läufer 5 ist als Permanentmagnet ausgebildet, wobei alternativ auch an eine stromdurchflossene Spule gedacht ist. Der Läufer 5 wird aufgrund seiner Kopplung an die Kolbenstange 4 mit den Kolben 3 axial bewegt. Dadurch erzeugt der Läufer 5 ein oszillierendes Magnetfeld, welches einen Stator 7 durchdringt.
  • Der Stator 7 weist eine Reihe von axial nebeneinander angeordneten Spulen 8 auf. In diese Spulen 8 induziert das vorgenannte Magnetfeld eine Spannung, die an den Spulenenden abgegriffen werden kann.
  • Der Lineargenerator 6 hat gegenüber einem herkömmlichen Rotationsgenerator den Vorteil, dass er direkt die oszillatorische Schiebebewegung der Kolben 3 in einen elektrischen Wechselstrom umsetzen kann. Eine Umformung der oszillatorischen Schiebebewegung der Kolben 3 in eine rotatorische Drehbewegung ist demnach entbehrlich.
  • Der Lineargenerator 6 erzeugt in den Spulen 8 eine Wechselspannung, die für beliebige Zwecke einsetzbar ist. Diese Wechselspannung wird außerdem einer Frequenzmessvorrichtung 9 zugeführt, welche eine der Wechselspannungsfrequenz proportionale Spannung erzeugt. Alternativ könnte die Frequenzmessvorrichtung 9 auch einen der Wechselspannungsfrequenz entsprechenden Digitalwert ausgeben. Das Frequenzsignal der Frequenzmessvorrichtung 9 wird über einen Signalweg 10 an einen Regler 11 weitergegeben. Dieser vergleicht das Frequenzsignal mit einer internen Referenz und erzeugt daraus ein Regelsignal. Der Regler 11 hat vorzugsweise ein P-, PI- oder PID-Verhalten. Der Regler 11 steht mit der Gemischaufbereitung 12 in Wirkverbindung, der einem Luftstrom eine vom Regler 11 abhängige Kraftstoffmenge zuführt. Die kraftstoffbeladene Luft gelangt dann über eine Ansaugleitung 13 in die beiden Zylinder 2.
  • Der Aufbau der beiden spiegelsymmetrisch angeordneten Zylinder 2 wird anhand der vergrößerten Detaildarstellung gemäß Figur 2 näher erläutert.
  • Der Zylinder 2 besteht aus einer Zylinderwand 20, einer Abschlussplatte 21 und einem Zylinderkopf-22. Diese Teile sind miteinander mittels nicht dargestellter Schrauben fest verbunden und mittels Dichtungen 23 abgedichtet.
  • Die Zylinderwand 20 weist einen umlaufenden Hohlraum 24 auf, durch den ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, läuft. Dieses Kühlmittel sorgt dafür, dass die Zylinderwand 20 innerhalb eines zulässigen Temperaturbereichs bleibt, in dem auch eingesetzte Schmierstoffe ihre volle Wirkung entfalten. In der Zylinderwand 20 ist außerdem ein Auslass 25 für verbranntes Arbeitsgas sowie ein nicht dargesteller Einlass für unverbranntes, vom Vergaser 12 stammendes Arbeitsgas vorgesehen. Sowohl der Auslass 25 als auch der Einlass werden durch den sich bewegenden Kolben 3 zeitweise verdeckt. Zu dem Zweck weist der Kolben 3 Abdeckungen 27 unterschiedlicher Länge auf, die den Einlass 25 und den Auslass 25 nur in bestimmten Stellungen des Kolbens 3 öffnen.
  • In der Zylinderwand 20 ist außerdem ein Überströmkanal 28 vorgesehen, der ebenfalls vom Kolben 3 geschlossen und geöffnet wird. Dieser Überströmkanal 28 verbindet bei einer bestimmten Kolbenstellung einen hinter dem Kolben befindlichen Verdichtungsraum 29 mit einem vor dem Kolben 3 liegenden Brennraum 30. Dieser Überströmkanal 28 ist im Wesentlichen nur bei Kolbenstellungen offen, die nahe der in Figur 2 dargestellten Kolbenstellung liegen.
  • Der Zylinderkopf 22 schließt den Zylinder 2 außenseitig ab. Auch im Zylinderkopf 22 ist ein Hohlraum 31 vorgesehen, der vom Kühlmittel durchflossen wird. Im Zylinderkopf 22 ist außerdem eine Zündkerze 32 vorgesehen, die das Arbeitsgas im Brennraum 30 entzündet. Alternativ könnte statt der Zündkerze 32 auch eine Einspritzdüse vorgesehen sein, die Kraftstoff in den Brennraum 30 spritzt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Freikolbenmotor
    2
    Zylinder
    3
    Kolben
    4
    Kolbenstange
    5
    Läufer
    6
    Lineargenerator
    7
    Stator
    8
    Spule
    9
    Frequenzmessvorrichtung
    10
    Signalweg
    11
    Regler
    12
    Vergaser
    13
    Ansaugleitung
    20
    Zylinderwand
    21
    Abschlussplatte
    22
    Zylinderkopf
    23
    Dichtung
    24
    Hohlraum
    25
    Auslass
    27
    Abdeckung
    28
    Überströmkanal
    29
    Verdichtungsraum
    30
    Brennraum
    31
    Hohlraum
    32
    Zündkerze

Claims (10)

  1. Freikolbenmotor mit mindestens einem Zylinder (2), in dem mindestens ein Kolben (3) verschiebbar geführt ist, wobei der Zylinder (2) mindestens einen Verdichtungsraum (29) zum Verdichten eines Arbeitsgases und mindestens einen Brennraum (30) zum Verbrennen des Arbeitsgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (30) und der Verdichtungsraum (29) die gleiche Außenkontur aufweisen, voneinander durch den Kolben (3) trennbar und miteinander durch mindestens einen Überströmkanal (28) verbindbar sind.
  2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (28) ausschließlich vom Kolben (3) verschließbar ist.
  3. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Kolben (3) fest miteinander gekoppelt sind.
  4. Freikolbenmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kolben (3) mit mindestens einem Lineargenerator (6) gekoppelt ist.
  5. Freikolbenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (6) in steuernder Wirkverbindung mit einem Regler (11) steht, der die Kolbenbewegung, vorzugsweise dessen Frequenz und/oder Fase beeinflusst.
  6. Freikolbenmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (6) in steuernder Wirkverbindung mit einem Regler (11) steht, der eine Frequenz und/oder Phase der Kolbenbewegung beeinflusst.
  7. Freikolbenmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas vor Einlass in den Verdichtungsraum (29) mindestens einen Brennstoff enthält.
  8. Freikolbenmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum (30) mindestens eine Einspritzdüse zum Einspritzen mindestens eines Kraftstoffes vorgesehen ist.
  9. Freikolbenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich Arbeitsgas beim Einspritzen in den Brennraum (30) aufgrund seiner Temperatur entzündet.
  10. Freikolbenmotor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) im Trockenlauf betrieben wird.
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