EP3458681B1 - Freikolbenvorrichtung - Google Patents

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EP3458681B1
EP3458681B1 EP17723377.2A EP17723377A EP3458681B1 EP 3458681 B1 EP3458681 B1 EP 3458681B1 EP 17723377 A EP17723377 A EP 17723377A EP 3458681 B1 EP3458681 B1 EP 3458681B1
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EP
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cooling
piston
wall
cooling region
channel
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Stephan Schneider
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • 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
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    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/02—Equalising or cushioning devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01B7/02—Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P3/00—Liquid cooling
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/02—Arrangements for cooling cylinders or cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • 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
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    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/041—Linear electric generators

Definitions

  • the invention relates to a free piston device, comprising a piston receptacle in which at least one piston device with a piston is arranged to be movable back and forth along an axis, the piston receptacle comprising or forming a combustion chamber delimited by a wall, in which at least one inlet opening for the supply of Fresh gas and, spaced therefrom in the axial direction, at least one outlet opening for the discharge of exhaust gas are formed, the free piston device comprising a cooling device arranged on the piston receptacle for cooling the wall.
  • the piston device oscillates back and forth in the piston receptacle.
  • the piston When a gas-fuel mixture is burned in the combustion chamber, the piston is moved from a top dead center to a bottom dead center.
  • the at least one inlet opening and the at least one outlet opening are open and fresh gas can flow into the combustion chamber. Exhaust gas can be discharged from the combustion chamber.
  • the piston can act as a valve body with which the at least one inlet opening or the at least one outlet opening is at least partially released when the bottom dead center is reached and is blocked again when the piston moves upwards.
  • the upward movement of the piston takes place under the action of a spring-back device of the free piston device for the piston device.
  • the spring-back device comprises, for example, a gas spring with a gas that can be compressed via the piston device. When the gas expands, the piston device is moved in the opposite direction for the upward movement of the piston.
  • a mechanical spring-back device can be provided.
  • fresh gas is understood to mean a gas or gas mixture (in particular air) for internal combustion in the combustion chamber, the gas a fuel can also be added.
  • fresh gas can therefore also denote a gas-fuel mixture which can flow into the combustion chamber via the at least one inlet opening.
  • exhaust gas denotes a combustion product of internal combustion.
  • the axially spaced apart openings for the inlet and outlet create a scavenging gradient, and the combustion chamber is scavenged in the axial direction for the gas exchange (so-called “longitudinal scavenging”).
  • “Axial” and “radial” relate in the present case to the axis defined by the piston receptacle along which the piston device is moved.
  • “Axial” in the present case includes a course parallel to the axis (axially parallel).
  • the generic free piston device comprises a cooling device on the piston receptacle for cooling the piston receptacle in the area of the wall.
  • the cooling device can be acted upon with a cooling medium, in particular water.
  • the US 2013/0167798 A1 describes a free piston engine with a gap between a piston assembly and a cylinder.
  • the piston can be moved back and forth in a bore of the cylinder.
  • the gap between the piston assembly and the bore can be controlled actively or passively.
  • a control system can include one or more setting options, for example depending on a temperature, a pressure, a volume flow, a key figure and / or another variable.
  • a cylinder liner can be adapted, a volume flow through a bearing element, a coolant flow or a heat pipe.
  • Liquid cooling areas positioned radially with respect to the bore and axially separated from one another along the piston assembly are provided for cooling the cylinder.
  • the free-piston engine comprises two piston devices with pistons arranged in a counter-piston arrangement, with longitudinal flushing of the combustion chamber being provided via inlet openings and outlet openings which are axially spaced from one another. Cooling areas for cooling a cylinder wall are provided between the inlet openings and in each case on the sides of the inlet openings and outlet openings facing away from the combustion chamber.
  • the object of the present invention is to develop a free piston device of the type mentioned at the beginning, in which better cooling of the piston receptacle is made possible.
  • the cooling channel has several cooling areas.
  • a first and a second cooling area are arranged axially next to the at least one outlet opening and radially at least partially surrounding the wall.
  • An outlet space for exhaust gas, into which exhaust gas enters via the at least one outlet opening, is arranged between the first cooling area and the second cooling area.
  • An outlet line for exhaust gas from the free piston device is connected to the outlet space.
  • the at least one third cooling area is provided. This forms a flow connection from the first cooling area to the second cooling area along the axial extent of the outlet space.
  • the at least one third cooling area is positioned radially outside the outlet space and extends at least partially in the circumferential direction of the axis. This gives the possibility of initially collecting escaped exhaust gas in the outlet space and releasing it via the outlet line, with effective cooling of the radial outer wall of the outlet space being achieved at the same time via the at least one third cooling area.
  • the heat dissipation to further components of the free piston device, which are arranged laterally next to the piston receptacle in the area of the at least one outlet opening, can thereby be considerably reduced. In an advantageous embodiment, this favors, for example, the function of an energy coupling device positioned laterally next to the piston receptacle, which will be discussed below.
  • the free piston device for example approximately five liters to approximately ten liters per minute flow through the cooling channel.
  • the flow temperature of the cooling medium in particular water, can be approximately 80 ° C. to approximately 95 ° C., for example.
  • the cooling channel has two third cooling areas which are arranged opposite one another with respect to the axis on the piston receptacle. This is advantageous, for example, when a respective energy coupling device or a part thereof is arranged on opposite sides of the axle, in particular when the free-piston device is of a flat design.
  • the at least one third cooling region advantageously has an axially running cooling channel section which is arranged radially next to the outer wall of the outlet space. Via the outer wall formed by the piston receptacle, heat can be given off to the cooling channel and from the cooling medium can be effectively discharged.
  • the cooling channel section is delimited on the radially outside by a channel wall. On the side of the channel wall opposite the cooling channel section, a receiving space for the energy coupling device is provided, for example.
  • the at least one third cooling area preferably comprises, axially next to the outlet space, a cooling channel section running transversely or inclined to the axis for flow connection with the first cooling area.
  • the cooling channel section is oriented transversely to the axis and connects the first cooling area with the aforementioned cooling channel section radially next to the outer wall of the outlet space.
  • the at least one third cooling area comprises, axially next to the outlet space, a cooling channel section running transversely or inclined to the axis for flow connection with the second cooling area.
  • the cooling channel section is inclined relative to the axis and connects the aforementioned cooling channel section radially next to the outer wall of the outlet space with the second cooling area.
  • the cooling channel is designed as a flat channel in the at least one third cooling area, at least radially next to the outlet space.
  • this is understood in particular to mean that a broad side of the flat channel runs in the circumferential direction of the axis or is oriented tangentially to an outer wall of the outlet space.
  • the cooling medium preferably flows axially through the flat channel.
  • a width of the cooling channel in the at least one third cooling region, at least radially next to the outlet space is at least approximately equal to the diameter of the combustion space.
  • a plurality of outlet openings are provided which are distributed over the circumference of the wall.
  • the outlet space can surround the wall in the circumferential direction. If the cooling channel on at least one third cooling area is at least so wide that this corresponds to the diameter of the Corresponds to the combustion chamber, effective cooling of the outlet chamber surrounding the wall can thereby be achieved.
  • “Width” in the present case refers to a cross section perpendicular to the axis, in particular, as mentioned above, a flat channel can be provided which is oriented in the circumferential direction of the axis or tangentially.
  • the at least one third cooling area can preferably cover an angular range of approximately 45 ° to approximately 60 ° in the circumferential direction of the axis, at least radially next to the outlet space.
  • the cooling channel on the first cooling area and / or on the second cooling area is an annular channel.
  • ring channel describes a channel that is closed in itself in the circumferential direction of the axis, a circular ring shape not being required.
  • the annular channel can be flowed through axially, in the circumferential direction of the axis or at an angle to the axis.
  • the cooling channel can completely or partially form a cooling jacket for the wall by designing at least one cooling area as an annular channel.
  • the at least one third cooling area is designed as an annular channel.
  • a plurality of outlet openings is advantageously formed in the wall, via which the combustion chamber opens into the outlet chamber, with outlet openings that are adjacent in the circumferential direction of the axis being separated from one another by a wall segment of the wall, the cooling channel comprising or forming cooling channel sections at least in some of the wall segments fluidly connecting the first cooling area to the second cooling area.
  • the combustion chamber can open into the outlet chamber via the majority of the outlet openings, from which exhaust gas can be discharged via at least one outlet line connected to it.
  • the at least one third cooling area enables effective cooling radially on the outside on the outer wall of the outlet space.
  • the present advantageous embodiment cooling channel sections are provided which flow connect the first cooling area with the second cooling area.
  • the cooling duct sections run through wall segments between the outlet openings, which are particularly strongly heated by the hot exhaust gas. This allows the wall to be cooled even better.
  • the cooling channel sections run axially, for example.
  • At least one cooling channel section can run in each wall segment.
  • the outlet space can completely or essentially completely surround the wall in the circumferential direction.
  • the first cooling area is arranged upstream on the cooling channel and is arranged on a side of the at least one outlet opening facing away from the at least one inlet opening
  • the second cooling area is advantageously arranged on a side of the at least one outlet opening facing the at least one inlet opening
  • the cooling medium flows through the first cooling area and the at least one third cooling area to the second cooling area.
  • the wall is less hot due to the longitudinal flushing of the combustion chamber.
  • the proposed cooling enables overall better heat dissipation from the piston receptacle than when the flow passes through the cooling channel in the opposite direction.
  • the piston receptacle has a housing and a piston bushing received by this and forming the wall, wherein the first cooling area, the second cooling area and / or the outlet space are formed radially between the piston liner and the housing.
  • the piston liner for example a cylinder liner, enables the piston to run smoothly and reliably.
  • the at least one inlet opening and the at least one outlet opening are formed in the piston liner.
  • the cooling channel runs between the piston liner and the housing at least on the first cooling area and / or on the second cooling area, as a result of which the wall can be reliably cooled.
  • the outlet space is preferably formed radially between the piston liner and the housing. Axial end walls of the outlet space can be formed by the piston liner and / or by the housing.
  • the piston liner is inserted into the housing, the cooling channel preferably being sealed by sealing elements positioned between the piston liner and the housing.
  • sealing elements positioned between the piston liner and the housing.
  • O-rings are provided in the circumferential direction of the axis between the piston liner and the housing to seal off the cooling channel.
  • the third cooling area is limited at least in the area of the outlet space by a radially outer channel wall and the cooling medium can flow through it between this and the outer wall of the piston receptacle.
  • the outer wall is an outer wall of the outlet space, as mentioned above.
  • the cooling medium flows through a cooling channel section between the outer wall and the channel wall.
  • the channel wall is, for example, formed separately from the piston receptacle and in particular its housing and is connected to the third cooling area in a sealing manner.
  • the channel wall is advantageously made of a thermally conductive material.
  • the channel wall can be an inner wall of a housing of the free piston device, in which a receiving space is provided for receiving an energy coupling device.
  • the free piston device preferably comprises an energy coupling device which is coupled to the piston device and via which energy can be decoupled from the piston device or via which energy can be coupled into the piston device.
  • an energy coupling device which is coupled to the piston device and via which energy can be decoupled from the piston device or via which energy can be coupled into the piston device.
  • the energy coupling device advantageously comprises at least one linear generator.
  • the linear generator has, for example, a rotor arrangement fixed to the piston device and a stator arrangement.
  • the rotor arrangement and the stator arrangement are or comprise, in particular, magnets or coils.
  • Two linear generators with a respective rotor arrangement and a respective stator arrangement can be assigned to the piston device.
  • a respective linear generator can, for example, be positioned laterally next to the piston receptacle and form one of the units of the energy coupling device mentioned below.
  • the free piston device advantageously comprises a receiving space that receives the energy coupling device, the duct wall delimiting the at least one third cooling area radially on the outside in sections forming a wall of the receiving space.
  • the energy coupling device is positioned laterally next to the piston receptacle, the energy coupling device is arranged in sections laterally next to the at least one third cooling area. This gives the possibility of a compact design of the free piston device, for example.
  • the energy coupling device can comprise a first unit and a second unit, which are each positioned laterally next to the piston receptacle and a respective third cooling region, the piston receptacle and the third cooling regions being arranged between the units of the energy coupling device.
  • the energy coupling device comprises two units, each of which is formed, for example, as mentioned above, by a linear generator.
  • the piston mount and a respective third cooling area are positioned between the units. This allows a compact design of the free piston device with at the same time effective cooling of the piston receptacle in order to avoid excessive heating of the units of the energy coupling device.
  • Radial passages for an ignition device and / or an injection device can be formed in the wall, via which at least one line for electrical energy and / or a fuel can be guided to the combustion chamber, wherein the at least one line or passage can be flowed around by the cooling medium, in particular at the second cooling area is.
  • the cooling channel on the second cooling area is an annular channel in which the cooling medium flows around at least one radially extending passage for the line.
  • the second cooling area is arranged axially between the at least one outlet opening and the at least one inlet opening and if the cooling channel comprises a fourth cooling area which is arranged on a side of the at least one inlet opening opposite the second cooling area.
  • the cooling channel on the fourth cooling area is preferably an annular channel.
  • the fourth cooling area can form a downstream side of the cooling channel.
  • a housing for fresh gas that can be supplied can be arranged axially between the second and fourth cooling areas, which housing at least partially surrounds the wall. Fresh gas received in this housing can flow into the combustion chamber via the at least one inlet opening.
  • the housing for fresh gas allows the incoming fresh gas to calm down, with pulsations and turbulence being dampened. This proves to be advantageous in terms of optimized combustion.
  • the second cooling area and the fourth cooling area are flow-connected to one another, for example, by a fluid line, for example a hose line, which can be guided past the side of the housing.
  • the piston is expediently at least partially movable via the at least one outlet opening, this being at least partially releasable by the piston when the bottom dead center is assumed.
  • the piston can form a valve body for the at least one outlet opening. A separate valve can be saved.
  • exhaust gas can flow from the combustion chamber through the at least one outlet opening into the outlet chamber.
  • the free piston device preferably comprises a further piston device with a piston, the pistons of both piston devices being positioned in a counter-piston arrangement, the combustion chamber being formed between the pistons.
  • the opposing piston arrangement can preferably compensate for the moving masses and moments.
  • the piston devices oscillate opposite to one another in the piston receptacle.
  • the size of the combustion chamber is variable between the pistons as a result of the opposing movement of the piston devices.
  • the free piston device can comprise a further spring-back device which is assigned to the further piston device.
  • the spring-back device can comprise a gas spring and / or be designed mechanically.
  • the further piston device can also be assigned an energy coupling device, which is preferably positioned laterally next to the piston receptacle.
  • the energy coupling device can comprise a linear generator.
  • two units of the further energy coupling device, each positioned laterally next to the piston receptacle, are provided. Each unit can be formed by a linear generator.
  • the piston of the further piston device is preferably at least partially movable via the at least one inlet opening, this being at least partially releasable by the piston when the bottom dead center is assumed.
  • the piston can form a valve body for the at least one inlet opening. A separate valve can be saved.
  • fresh gas can flow into the combustion chamber through the at least one inlet opening.
  • the drawing shows an advantageous embodiment of a free-piston device according to the invention, assigned the reference number 10, which in particular forms a free-piston engine 12.
  • the free piston device 10 comprises an outer housing 14, which in the present case is cuboid and is designed as a flat housing.
  • the housing 14 defines a receiving space 22 between an upper wall 16, a lower wall 18 and a side wall 20.
  • a piston receptacle 24 is arranged in the housing 14.
  • the piston receptacle 24 is elongated and defines an axis 26 of the free piston device 10.
  • the piston receptacle 24 has a housing 28 which is divided into individual sections and is approximately hollow-cylindrical in shape.
  • a piston liner 30 of the piston receptacle 24 is arranged in the housing 28.
  • the piston liner 30 is designed essentially as a hollow cylinder and inserted into a central section of the housing 28 ( Figures 3 to 5 ).
  • Openings are formed in a wall 32 of the piston liner 30 and thus the piston receptacle 24.
  • the openings comprise, on the one hand, inlet openings 34 and, on the other hand, outlet openings 36.
  • inlet openings 34 and seven outlet openings 36 there are seven inlet openings 34 and seven outlet openings 36, the respective number of which could also be different.
  • the inlet openings 34 are axially spaced from the outlet openings 36.
  • “Axial” and “radial” in the present case refer to the axis 26. “Axial” also includes a direction running parallel to the axis 26.
  • the respective inlet openings 34 are formed in the circumferential direction of the axis 26 essentially at the same position in the wall 32.
  • the inlet openings 34 and the outlet openings 36 are designed, for example, in the shape of a slot or a shaft.
  • the free piston device 10 comprises two piston devices 38, 40.
  • the piston devices 38, 40 are arranged in the piston receptacle 24 so that they can move axially back and forth.
  • Each piston device 38, 40 has a (combustion) piston 42, a piston rod 44 and a counter-piston 46.
  • the pistons 42 each comprise a piston surface 48 and are positioned in a counter-piston arrangement, the piston surfaces 48 facing one another.
  • the piston receptacle 24 comprises a combustion chamber 50 delimited by the wall 32.
  • the combustion chamber 50 is variable in size as a result of the counter-rotating movement of the piston devices 38, 40 and is formed between the piston surfaces 48.
  • the piston rod 44 connects the piston 42 to the opposing piston 46, both pistons 42, 46 being held on the piston rod 44 such that they can tilt. However, a rigid connection is also conceivable.
  • projections 52 protrude from the piston rod 44 on opposite sides. The projections 52 emerge from the housing 28 and protrude into the receiving space 22.
  • Figure 5 shows schematically the contours of the projections 52.
  • the piston rod 44 thus has an approximately cruciform shape.
  • the free-piston device 10 comprises a spring-back device 54 assigned to each piston device 38, 40.
  • the spring-back device 54 comprises a gas spring 56 with a resilience space.
  • the resilience space is formed by the housing 28 and arranged on the end of this.
  • the free piston device 10 has two energy coupling devices 58, each piston device 38, 40 being assigned an energy coupling device 58.
  • Each energy coupling device 58 comprises a first unit 60 and a second unit 62.
  • the units 60, 62 are each positioned laterally next to the piston receptacle 24, but on opposite sides of the latter. Both units 60, 62 define a common plane in which the piston receptacle 24 is arranged.
  • the energy coupling devices 58 are accommodated in the receiving space 22 of the housing 14.
  • a spatial area 64 of the receiving space 22 is assigned to each unit 60, 62, each spatial area 64 being delimited by the upper wall 16, the lower wall 18, the side wall 20 and the piston receptacle 24.
  • Each unit 60, 62 is formed by a linear generator 66 with a rotor arrangement 68 and a stator arrangement 70.
  • the rotor arrangement 68 is connected to the piston rod 44 via the projection 52 and is guided in the receiving space 22 so as to be displaceable parallel to the axis 26.
  • the rotor assembly 68 includes magnets.
  • the stator arrangement 70 comprises coils, not shown individually in the drawing, which are arranged above and below the rotor arrangement 68.
  • Figure 5 shows the contours of the rotor assemblies 68 and the stator assemblies 70 of two units 60, 62. Since the piston 42 of the piston device 38 occupies the bottom dead center in the drawing, the sectional view does not run through the rotor assemblies 68, which only occurs when the piston is (imagined) upwardly moving 42 are moved and traverse the cutting plane.
  • the energy coupling device 58 Via the energy coupling device 58, there is the possibility of coupling energy into the piston device 38 or 40 or of withdrawing energy from it. This allows the movement of the piston device 38 or 40 to be controlled during the operation of the free piston device 10.
  • the energy coupling devices 58 are controlled by a control device 72 ( Figure 2 ) the free piston device 10 controllable.
  • the free piston device 10 works in the present case according to the two-stroke process.
  • a combustion in the combustion chamber 50 drives the pistons 42 apart, starting from top dead center, so that they are axially displaced in the piston liner 30. The displacement takes place up to a respective bottom dead center of the pistons 42. If the pistons 42 assume the bottom dead center, the inlet openings 34 from the piston 42 of the piston device 40 are released, and the outlet openings 36 are released from the piston 42 of the piston device 38. This is in the Figures 2 to 5 shown.
  • the combustion chamber 50 is flushed. Fresh gas flows into the combustion chamber 50 via the inlet openings 34. Exhaust gas can be discharged from the combustion chamber 50 via the outlet openings 36. The combustion chamber 50 is flushed longitudinally via the axially spaced apart openings 34, 36.
  • fresh gas is a gas or a gas mixture (in particular air) for internal combustion.
  • a fuel can be added to the fresh gas supplied.
  • the in The fresh gas that has flowed into the combustion chamber 50 is admixed with a fuel via an injection device.
  • the charge can be ignited by means of an ignition device which can be controlled by the control device 72. Self-ignition is also conceivable, depending on the mixing ratio of fresh gas and exhaust gas.
  • the combustion in the combustion chamber 50 leads to a high temperature of the wall 32. Due to the longitudinal flushing of the combustion chamber 50, the piston liner 30 is thermally much more heavily loaded axially in the area of the outlet openings 36 than axially in the area of the inlet opening 34 Area of the outlet openings 36, whereas the temperature in the area of the inlet openings 34 is significantly lower. Cooling is also achieved there by inflowing cool fresh gas.
  • a cooling device 74 is arranged on the piston receptacle 24.
  • the cooling device 74 has a cooling channel 76.
  • a cooling medium can be applied to the cooling channel 76, in particular water, in order to dissipate heat from the piston receptacle 24 to its piston liner 30 and its housing 28.
  • the free piston device can have a pump not shown in the drawing.
  • a flow of the cooling medium of approximately five liters to ten liters per minute has proven to be advantageous.
  • the temperature of the cooling medium can be approximately 90 ° C., for example.
  • the cooling channel 76 has a plurality of cooling areas.
  • a first cooling area 78 is provided, a second cooling area 80, two third cooling areas 82 and a fourth cooling area 84.
  • the first cooling region 78 is arranged on the side of the outlet openings 36 facing away from the inlet openings 34.
  • the forms on the first cooling area 78 Cooling channel 76 is an annular channel which completely surrounds wall 32 in the circumferential direction of axis 26.
  • the first cooling region 78 is arranged on the upstream side on the cooling channel 76.
  • the cooling medium can flow in via connection elements 86 connected to the first cooling region 78.
  • the second cooling region 80 is arranged on the side of the outlet openings 36 facing the inlet openings 34.
  • the cooling regions 78 and 80 are thus positioned on axially opposite sides of the outlet openings 36.
  • the second cooling region 80 is thus arranged between the inlet openings 34 and the outlet openings 36.
  • the cooling channel 76 is also designed as an annular channel which completely surrounds the wall 32 in the circumferential direction of the axis 26. Through openings can be formed in the wall 32 for lines that can be connected thereto. The lines are provided in particular for supplying fuel and / or electrical energy to the combustion chamber 50. The cooling medium flowing through the second cooling region 80 can flow around the lines.
  • the first cooling area 78 and the second cooling area 80 are flow-connected to one another via the third cooling areas 82, which will be discussed below.
  • the fourth cooling region 84 is arranged on the side of the inlet openings 34 facing away from the outlet openings 36.
  • the cooling regions 80 and 84 are thus positioned axially on opposite sides of the inlet openings 34.
  • the cooling channel 76 forms an annular channel which completely surrounds the axis 26 in the circumferential direction.
  • the second cooling area 80 and the fourth cooling area 84 are flow-connected to one another via fluid lines not shown in the drawing.
  • Connection elements 88 on the second cooling area 80 and connection elements 90 on the fourth cooling area 84 can be provided for connecting the fluid lines.
  • the fourth cooling region 84 is arranged on the downstream side on the cooling channel 76. In this way, it is possible to effectively cool the piston receptacle 24 starting from the first cooling area 78 to the fourth cooling area 84. First of all, the particularly hot area of the piston receptacle 24 at and near the outlet openings 36 is cooled with the still relatively cool cooling medium. The piston receptacle 24 is then cooled in the area of the center of the combustion chamber 50, and finally the piston receptacle 24 in the area of the inlet openings 34, where a significantly lower temperature prevails than in the area of the outlet openings 36.
  • the piston liner 30 is inserted into the housing 28.
  • the first cooling region 78, the second cooling region 80 and the fourth cooling region 84 are formed radially between the piston liner 30 and the central section of the housing 28 that surrounds them.
  • the wall 32 delimits the cooling areas 78, 80 and 84 radially on the inside, and these are delimited on the radial outside by the housing 28.
  • the Figures 6 and 7 show the region of the cooling channel 76 through which the cooling medium can flow and which is provided with a marking for better identification.
  • the one with the marking (reversed comma) in the Figures 6 and 7 The area shown is occupied by the cooling medium.
  • the cooling channel 76 due to the design of the cooling areas 78, 80 and 84, forms a cooling jacket that axially extends the piston liner 30 outside of the area of the inlet openings 34 and of the outlet openings 36 and is delimited radially on the inside by the wall 32 and radially on the outside by the housing 28.
  • the outlet openings 36 are formed in the wall 32 in the circumferential direction of the axis 26.
  • the piston receptacle 24 forms an outlet space 92 arranged on the outside of the wall 32. Exhaust gas passes through the outlet openings 36 into the surrounding outlet space 92.
  • the outlet space 92 is delimited radially on the inside by the wall 32 and radially on the outside by an outer wall 94 of the housing 28 96 and 98 delimit the outlet space 92 in the axial direction.
  • the end walls 96, 98 are, see in particular Figure 4 , formed by radial projections of the wall 32 and the housing 28.
  • FIG. 5 shows a connection element 102 in this regard.
  • the wall 32 has wall segments 100 between adjacent outlet openings 36.
  • the wall segments 100 extend in the axial direction over the length of the outlet openings 36.
  • the cooling channel 76 comprises cooling channel sections 104.
  • the cooling channel sections 104 run axially, with at least one cooling channel section 104 running through each wall segment 100 ( Figure 5 ).
  • the cooling channel sections 104 provide a flow connection from the first cooling area 78 to the second cooling area 80, what especially in Figure 7 is recognizable. As a result, heat can be effectively dissipated from the particularly hot points on the wall segments 100.
  • a further flow connection of the cooling areas 78 and 80 is provided by the two third cooling areas 82.
  • the cooling areas 82 are opposite one another with respect to the axis 26 and enable the piston receptacle 24 to be cooled on opposite sides.
  • the third cooling regions 82 serve in particular to cool the piston receptacle 24 axially in the region of the outlet openings 36.
  • the cooling areas 82 are formed symmetrically with respect to one another, which is why only one of the third cooling areas 82 will be discussed below.
  • the third cooling region 82 comprises a first cooling channel section 106, a second cooling channel section 108 and a third cooling channel section 110.
  • the first cooling channel section 106 forms the flow connection with the first cooling area 78.
  • the cooling channel section 106 runs in connection with the cooling area 78 at an incline to the axis 26, although it is oriented almost transversely to this ( Figures 4 and 6th ).
  • the first cooling channel section 106 runs along the side of the end wall 98 facing away from the outlet space 92.
  • the second cooling channel section 108 is arranged radially outside of the outlet space 92, laterally next to the outer wall 94 of the outlet space 92 in the radial direction.
  • the second cooling channel section 108 is delimited on the radially outer side by a channel wall 112.
  • cooling medium can flow through the third cooling area in the axial direction at least along the extension of the outlet space 92, the cooling area 82 being delimited radially by the outer wall 94 and the channel wall 112.
  • the second cooling channel section 108 runs axially and is formed tangentially with respect to the axis 26 on the outside of the housing 28. In the circumferential direction of the axis 26, the cooling region 82 on the second cooling channel section 108 extends over a partial angle.
  • the second cooling channel section 108 covers an angular range of approximately 50 ° to 60 °.
  • the second cooling channel section 108 is designed as a flat channel, with its width transverse to the flow direction being considerably greater than its height in the radial direction ( Figure 5 ).
  • the width of the second cooling channel section 108 is more than the diameter of the combustion chamber.
  • the third cooling region 82 forms a relatively large heat sink on the second cooling channel section 108, via which heat can be effectively dissipated from the outer wall 94, which occurs as a result of the discharge of the hot exhaust gas through the outlet space 92.
  • the third cooling channel section 110 connects the second cooling channel section 108 to the second cooling region 80.
  • the third cooling channel section 110 is inclined relative to the axis 26 and in the present case is divided into two paths 114 ( Figures 6 and 7 ).
  • the third cooling channel section 110 runs along the side of the end wall 96 facing away from the outlet space 92.
  • the cooling channel sections 106 and 110 are also designed as flat channels. Furthermore, they extend in the circumferential direction of the axis 26 over the same angular circumference as the cooling channel section 108.
  • the provision of the third cooling regions 82 makes it possible to ensure effective cooling of the piston receptacle 24 also along the axial extent of the outlet space 92.
  • the requirements for the selection and adaptation of the materials are reduced, and the free piston device 10 is overall more cost-effective and easier to manufacture and operate.
  • the channel wall 112 simultaneously forms, in sections, a wall of the space area 64 arranged laterally next to it. Waste heat from the linear generators 66 can thereby also be dissipated by means of the cooling device 74, which reduces the requirements for the internal cooling of the linear generators 66.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben längs einer Achse hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme einen von einer Wandung begrenzten Brennraum umfasst oder bildet, in der mindestens eine Einlassöffnung für die Zufuhr von Frischgas und, in axialer Richtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung für die Abfuhr von Abgas gebildet sind, wobei die Freikolbenvorrichtung eine an der Kolbenaufnahme angeordnete Kühleinrichtung zum Kühlen der Wandung umfasst.
  • Bei einer derartigen, üblicherweise im Zweitaktverfahren betriebenen, Freikolbenvorrichtung oszilliert die Kolbeneinrichtung in der Kolbenaufnahme hin und her. Bei der Verbrennung eines Gas-Brennstoff-Gemisches im Brennraum wird der Kolben von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt. Bei Einnahme des unteren Totpunktes sind die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung geöffnet, und Frischgas kann in den Brennraum einströmen. Abgas kann aus dem Brennraum abgeführt werden. Der Kolben kann als Ventilkörper wirken, mit dem die mindestens eine Einlassöffnung oder die mindestens eine Auslassöffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes zumindest teilweise freigegeben wird und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wieder versperrt wird. Die Aufwärtsbewegung des Kolbens erfolgt unter der Wirkung einer Rückfedereinrichtung der Freikolbenvorrichtung für die Kolbeneinrichtung. Die Rückfedereinrichtung umfasst beispielsweise eine Gasfeder mit einem über die Kolbeneinrichtung komprimierbaren Gas. Bei einer Expansion des Gases wird die Kolbeneinrichtung in Gegenrichtung für die Aufwärtsbewegung des Kolbens bewegt. Alternativ oder ergänzend kann eine mechanische Rückfedereinrichtung vorgesehen sein.
  • Unter "Frischgas" wird vorliegend ein Gas oder Gasgemisch (insbesondere Luft) für die innere Verbrennung im Brennraum verstanden, wobei dem Gas auch ein Brennstoff beigemischt sein kann. "Frischgas" kann vorliegend daher auch ein Gas-Brennstoff-Gemisch bezeichnen, das über die mindestens eine Eintrittsöffnung in den Brennraum einströmen kann. "Abgas" bezeichnet vorliegend ein Verbrennungsprodukt der inneren Verbrennung.
  • Bei der gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung entsteht durch die axial voneinander beabstandeten Öffnungen für den Einlass und den Auslass ein Spülgefälle, und zum Ladungswechsel wird der Brennraum in axialer Richtung gespült (sogenannte "Längsspülung"). "Axial" und "radial" beziehen sich vorliegend auf die von der Kolbenaufnahme definierte Achse, längs der die Kolbeneinrichtung bewegt wird. "Axial" schließt vorliegend einen Verlauf parallel zur Achse (achsparallel) mit ein.
  • Aufgrund des Spülgefälles ergibt sich ein erheblicher Temperaturunterschied der Wandung einlassseitig und auslassseitig. Im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung kann die Temperatur üblicherweise beispielsweise ungefähr 1000°C betragen, was die Auswahl und Anpassung der verwendeten Materialien einschränkt bzw. erschwert. Als problematisch kann sich hierbei insbesondere auch die unerwünschte Erwärmung weiterer Komponenten der Freikolbenvorrichtung erweisen. Hierbei ist insbesondere die unerwünschte Erwärmung einer von der Freikolbenvorrichtung umfassten Energiekopplungseinrichtung zu nennen, die dadurch in ihrer Funktionalität eingeschränkt sein kann. Die gattungsgemäße Freikolbenvorrichtung umfasst zum Kühlen der Kolbenaufnahme im Bereich der Wandung eine Kühleinrichtung an der Kolbenaufnahme. Die Kühleinrichtung ist mit einem Kühlmedium beaufschlagbar, insbesondere Wasser.
  • Die US 2013/0167798 A1 beschreibt einen Freikolbenmotor mit einem Spalt zwischen einer Kolbenanordnung und einem Zylinder. Der Kolben kann in einer Bohrung des Zylinders hin- und herbewegt werden. Der Spalt zwischen der Kolbenanordnung und der Bohrung kann aktiv oder passiv gesteuert werden. Ein Steuersystem kann eine oder mehrere Einstellmöglichkeiten umfassen, zum Beispiel abhängig von einer Temperatur, einem Druck, einem Volumenstrom, einer Kennzahl und/oder einer anderen Größe. Beispielsweise kann eine Zylinderlaufbuchse angepasst werden, ein Volumenstrom durch ein Lagerelement, ein Kühlmittelstrom oder ein Wärmerohr. Kühlbereiche mit Flüssigkeitskühlung, die radial in Bezug auf die Bohrung positioniert und axial längs der Kolbenanordnung voneinander getrennt sind, sind zum Kühlen des Zylinders vorgesehen.
  • Ein weiterer Freikolbenmotor mit Flüssigkeitskühlung ist in der US 6,904,876 beschrieben. Der Freikolbenmotor umfasst zwei Kolbeneinrichtungen mit in Gegenkolbenanordnung angeordneten Kolben, wobei eine Längsspülung des Brennraumes über axial voneinander beabstandete Einlassöffnungen und Auslassöffnungen vorgesehen ist. Zwischen den Einlassöffnungen sowie jeweils auf den dem Brennraum abgewandten Seiten der Einlassöffnungen und Auslassöffnungen sind Kühlbereiche zum Kühlen einer Zylinderwand vorgesehen.
  • Ein weiterer Freikolbenmotor mit flüssigkeitsgekühltem Zylinder ist in der WO 2007/085344 A1 beschrieben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art weiterzubilden, bei der eine bessere Kühlung der Kolbenaufnahme ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist vorgesehen, dass der Kühlkanal mehrere Kühlbereiche aufweist. Ein erster und ein zweiter Kühlbereich sind axial neben der mindestens einen Auslassöffnung und radial die Wandung zumindest teilweise umgebend angeordnet. Zwischen dem ersten Kühlbereich und dem zweiten Kühlbereich ist ein Auslassraum für Abgas angeordnet, in den Abgas über die mindestens eine Auslassöffnung eintritt. An den Auslassraum ist eine Auslassleitung für Abgas der Freikolbenvorrichtung angeschlossen. Um eine wirkungsvolle Kühlung der Kolbenaufnahme auch im Bereich des Auslassraumes zu erzielen, ist der mindestens eine dritte Kühlbereich vorgesehen. Dieser bildet eine Strömungsverbindung vom ersten Kühlbereich zum zweiten Kühlbereich entlang der axialen Erstreckung des Auslassraumes. Der mindestens eine dritte Kühlbereich ist radial außerhalb des Auslassraumes positioniert und erstreckt sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Achse. Dies gibt die Möglichkeit, ausgetretenes Abgas zunächst im Auslassraum zu sammeln und über die Auslassleitung abzugeben, wobei zugleich eine wirkungsvolle Kühlung der radialen Außenwand des Auslassraumes über den mindestens einen dritten Kühlbereich erzielt wird. Die Wärmeabgabe an weitere Komponenten der Freikolbenvorrichtung, die seitlich neben der Kolbenaufnahme im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet sind, kann dadurch erheblich reduziert werden. Dies begünstigt bei einer vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise die Funktion einer seitlich neben der Kolbenaufnahme positionierten Energiekopplungseinrichtung, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
  • Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung strömen beispielsweise ungefähr fünf Liter bis ungefähr zehn Liter pro Minute durch den Kühlkanal. Die Vorlauftemperatur des Kühlmediums, insbesondere Wasser, kann beispielsweise ungefähr 80°C bis ungefähr 95°C betragen.
  • Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Kühlkanal zwei dritte Kühlbereiche aufweist, die einander bezüglich der Achse gegenüberliegend an der Kolbenaufnahme angeordnet sind. Dies ist zum Beispiel bei Anordnung einer jeweiligen Energiekopplungseinrichtung oder eines Teils davon auf einander gegenüberliegenden Seiten der Achse von Vorteil, insbesondere bei einer Flachbauweise der Freikolbenvorrichtung.
  • Vorteilhafterweise weist der mindestens eine dritte Kühlbereich einen axial verlaufenden Kühlkanalabschnitt auf, der radial neben der Außenwand des Auslassraumes angeordnet ist. Über die von der Kolbenaufnahme gebildete Außenwand kann Wärme an den Kühlkanal abgegeben werden und vom Kühlmedium wirkungsvoll abgeführt werden. Radial außenseitig ist der Kühlkanalabschnitt von einer Kanalwand begrenzt. Auf der dem Kühlkanalabschnitt gegenüberliegenden Seite der Kanalwand ist zum Beispiel ein Aufnahmeraum für die Energiekopplungseinrichtung vorgesehen.
  • Der mindestens eine dritte Kühlbereich umfasst vorzugsweise axial neben dem Auslassraum einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt zur Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich. Beispielsweise ist der Kühlkanalabschnitt quer zur Achse ausgerichtet und verbindet den ersten Kühlbereich mit dem vorstehend erwähnten Kühlkanalabschnitt radial neben der Außenwand des Auslassraumes.
  • Günstig ist es, wenn der mindestens eine dritte Kühlbereich axial neben dem Auslassraum einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt zur Strömungsverbindung mit dem zweiten Kühlbereich umfasst. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkanalabschnitt relativ zur Achse geneigt und verbindet den vorstehend genannten Kühlkanalabschnitt radial neben der Außenwand des Auslassraumes mit dem zweiten Kühlbereich.
  • Von Vorteil ist, wenn der Kühlkanal am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest radial neben dem Auslassraum als Flachkanal ausgestaltet ist. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass eine Breitseite des Flachkanals in Umfangsrichtung der Achse verläuft oder tangential zu einer Außenwand des Auslassraumes ausgerichtet ist. Der Flachkanal ist vorzugsweise axial vom Kühlmedium durchströmt.
  • Bei einer vorteilhaften Umsetzung ist es günstig, wenn eine Breite des Kühlkanals am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest radial neben dem Auslassraum mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser des Brennraumes ist. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von Auslassöffnungen vorgesehen, die über den Umfang der Wandung verteilt sind. Der Auslassraum kann die Wandung in Umfangsrichtung umgeben. Ist der Kühlkanal am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest so breit, dass dies dem Durchmesser des Brennraumes entspricht, kann dadurch eine wirkungsvolle Kühlung des die Wandung umgebenden Auslassraumes erzielt werden. "Breite" bezieht sich vorliegend auf einen Querschnitt senkrecht zur Achse, wobei insbesondere wie vorstehend erwähnt ein Flachkanal vorgesehen sein kann, der in Umfangsrichtung der Achse oder tangential ausgerichtet ist.
  • Der mindestens eine dritte Kühlbereich kann in Umfangsrichtung der Achse vorzugsweise einen Winkelbereich von ca. 45° bis ca. 60° überdecken, zumindest radial neben dem Auslassraum.
  • Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Kühlkanal am ersten Kühlbereich und/oder am zweiten Kühlbereich ein Ringkanal ist. "Ringkanal" beschreibt vorliegend einen in Umfangsrichtung der Achse in sich geschlossenen Kanal, wobei eine Kreisringform nicht erforderlich ist. Der Ringkanal kann axial, in Umfangsrichtung der Achse oder schief zur Achse durchströmbar sein.
  • Der Kühlkanal kann ganz oder teilweise durch Ausgestaltung mindestens eines Kühlbereiches als Ringkanal einen Kühlmantel für die Wandung ausbilden.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich als Ringkanal ausgestaltet ist.
  • In der Wandung ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Auslassöffnungen gebildet, über die der Brennraum in den Auslassraum mündet, wobei in Umfangsrichtung der Achse benachbarte Auslassöffnungen über jeweils ein Wandsegment der Wandung voneinander getrennt sind, wobei der Kühlkanal zumindest in einem Teil der Wandsegmente Kühlkanalabschnitte umfasst oder bildet, die den ersten Kühlbereich mit dem zweiten Kühlbereich strömungsverbinden. Wie bereits erwähnt kann der Brennraum über die Mehrzahl der Auslassöffnungen in den Auslassraum münden, aus dem Abgas über mindestens eine daran angeschlossene Auslassleitung abgeführt werden kann. Der mindestens eine dritte Kühlbereich ermöglicht eine wirkungsvolle Kühlung radial außenseitig an der Außenwand des Auslassraumes. Zusätzlich sind bei der vorliegenden vorteilhaften Ausführungsform Kühlkanalabschnitte vorgesehen, die den ersten Kühlbereich mit dem zweiten Kühlbereich strömungsverbinden. Die Kühlkanalabschnitte verlaufen durch Wandsegmente zwischen den Auslassöffnungen, die vom heißen Abgas besonders stark aufgeheizt werden. Dies erlaubt es, die Wandung noch besser zu kühlen.
  • Die Kühlkanalabschnitte verlaufen beispielsweise axial.
  • In jedem Wandsegment kann mindestens ein Kühlkanalabschnitt verlaufen.
  • Der Auslassraum kann, wie erwähnt, die Wandung in Umfangsrichtung vollständig oder im Wesentlichen vollständig umgeben.
  • Der erste Kühlbereich ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform aufstromseitig am Kühlkanal angeordnet und zu einer der mindestens einen Einlassöffnung abgewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet, und der zweite Kühlbereich ist günstigerweise zu einer der mindestens einen Einlassöffnung zugewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet, wobei das Kühlmedium durch den ersten Kühlbereich und den mindestens einen dritten Kühlbereich hindurch zum zweiten Kühlbereich strömt. Dies gibt die Möglichkeit, die Wandung mit dem Kühlmedium zunächst an den besonders heißen Bereichen zu kühlen. Der Vorlauf der Kühleinrichtung ist axial auf der der Einlassöffnung abgewandten Seite der Auslassöffnung angeordnet. Von dort durchströmt das Kühlmedium den ersten Kühlbereich, anschließend den mindestens einen dritten Kühlbereich und anschließend den zweiten Kühlbereich. Im Bereich des zweiten Kühlbereiches ist die Wandung aufgrund der Längsspülung des Brennraumes weniger heiß. Im Ergebnis wird durch die vorgeschlagene Kühlung insgesamt eine bessere Wärmeabfuhr von der Kolbenaufnahme ermöglicht als bei Durchströmung des Kühlkanals in entgegengesetzter Richtung.
  • Günstig ist es, wenn die Kolbenaufnahme ein Gehäuse aufweist und eine von diesem aufgenommene und die Wandung bildende Kolbenlaufbuchse, wobei der erste Kühlbereich, der zweite Kühlbereich und/oder der Auslassraum radial zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse gebildet sind. Die Kolbenlaufbuchse, beispielsweise eine Zylinderlaufbuchse, ermöglicht einen ruhigen und zuverlässigen Lauf des Kolbens. Die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung sind in der Kolbenlaufbuchse gebildet. Der Kühlkanal verläuft zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse zumindest am ersten Kühlbereich und/oder am zweiten Kühlbereich, wodurch die Wandung zuverlässig gekühlt werden kann. Der Auslassraum ist vorzugsweise radial zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse gebildet. Axiale Stirnwände des Auslassraumes können durch die Kolbenlaufbuchse und/oder durch das Gehäuse gebildet sein.
  • Günstig ist es, wenn die Kolbenlaufbuchse in das Gehäuse eingesetzt ist, wobei der Kühlkanal vorzugsweise über zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse positionierte Dichtelemente abgedichtet ist. Beispielsweise sind O-Ringe in Umfangsrichtung der Achse zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse zum Abdichten des Kühlkanals vorgesehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung ist es günstig, dass der dritte Kühlbereich zumindest im Bereich des Auslassraumes durch eine radial außenseitige Kanalwand begrenzt und zwischen dieser und der Außenwand der Kolbenaufnahme von dem Kühlmedium durchströmbar ist. Die Außenwand ist eine Außenwand des Auslassraumes, wie vorstehend erwähnt. Das Kühlmedium durchströmt einen Kühlkanalabschnitt zwischen der Außenwand und der Kanalwand. Die Kanalwand ist beispielsweise getrennt von der Kolbenaufnahme und insbesondere dessen Gehäuse gebildet und, den dritten Kühlbereich dichtend, mit dieser bzw. diesem verbunden. Die Kanalwand besteht vorteilhafterweise aus einem wärmeleitfähigen Material.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Kanalwand eine innenliegende Wandung eines Gehäuses der Freikolbenvorrichtung sein, in dem ein Aufnahmeraum zum Aufnehmen einer Energiekopplungseinrichtung vorgesehen ist.
  • Wie bereits erwähnt umfasst die Freikolbenvorrichtung vorzugsweise eine mit der Kolbeneinrichtung gekoppelte Energiekopplungseinrichtung, über die Energie der Kolbeneinrichtung auskoppelbar oder über die Energie an die Kolbeneinrichtung einkoppelbar ist. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, die Bewegung der Kolbeneinrichtung mittels der Energiekopplungseinrichtung zu steuern. "Steuern" ist vorliegend dahingehend auszulegen, dass damit alternativ oder ergänzend auch "regeln" gemeint ist. "Steuerung" kann vorliegend daher als "Steuerung und/oder Regelung" aufgefasst werden. Durch die Ansteuerung der Energiekopplungseinrichtung, die von einer Steuereinrichtung der Freikolbenvorrichtung vorgenommen werden kann, kann der Betriebspunkt der Freikolbenvorrichtung im Betrieb eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann bei Bedarf Energie von der Energiekopplungseinrichtung an die Kolbeneinrichtung übertragen werden oder Energie der Kolbeneinrichtung über die Energiekopplungseinrichtung entnommen werden.
  • Die Energiekopplungseinrichtung umfasst vorteilhafterweise mindestens einen Lineargenerator. Der Lineargenerator weist beispielsweise eine an der Kolbeneinrichtung festgelegte Läuferanordnung auf und eine Statoranordnung. Läuferanordnung und Statoranordnung sind oder umfassen insbesondere Magnete bzw. Spulen.
  • Der Kolbeneinrichtung können zwei Lineargeneratoren zugeordnet sein mit einer jeweiligen Läuferanordnung und einer jeweiligen Statoranordnung. Ein jeweiliger Lineargenerator kann zum Beispiel seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert sein und eine der nachfolgend erwähnten Einheiten der Energiekopplungseinrichtung ausbilden.
  • Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorteilhafterweise einen die Energiekopplungseinrichtung aufnehmenden Aufnahmeraum, wobei die den mindestens einen dritten Kühlbereich radial außenseitig begrenzende Kanalwand abschnittsweise eine Wandung des Aufnahmeraumes bildet. Dies gibt die Möglichkeit, zum einen die Wärme des Abgases über das den mindestens einen dritten Kühlbereich durchströmende Kühlmedium abzuführen. Eine Abgabe von Wärme an die Energiekopplungseinrichtung kann vermieden werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, über die Kanalwand auch Wärme abzuführen, die beim Betrieb der Energiekopplungseinrichtung entsteht. Die Funktionalität der Energiekopplungseinrichtung kann dadurch sichergestellt werden. Ein zuverlässigerer und energetisch günstigerer Betrieb der Freikolbenvorrichtung ist möglich.
  • Insbesondere in Kombination mit der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die Energiekopplungseinrichtung seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung abschnittsweise seitlich neben dem mindestens einen dritten Kühlbereich angeordnet ist. Dies gibt beispielsweise die Möglichkeit einer kompakten Bauform der Freikolbenvorrichtung.
  • Die Energiekopplungseinrichtung kann eine erste Einheit und eine zweite Einheit umfassen, die jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme und einem jeweiligen dritten Kühlbereich positioniert sind, wobei die Kolbenaufnahme und die dritten Kühlbereiche zwischen den Einheiten der Energiekopplungseinrichtung angeordnet sind. Zum Ausgleich der bewegten Massen und Momente ist es günstig, wenn die Energiekopplungseinrichtung zwei Einheiten umfasst, deren jede beispielsweise wie vorstehend erwähnt durch einen Lineargenerator gebildet ist. Zwischen den Einheiten sind die Kolbenaufnahme und ein jeweiliger dritter Kühlbereich positioniert. Dies erlaubt eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung bei zugleich wirkungsvoller Kühlung der Kolbenaufnahme, um eine übermäßige Erwärmung der Einheiten der Energiekopplungseinrichtung zu vermeiden.
  • In der Wandung können radiale Durchführungen für eine Zündeinrichtung und/oder eine Einspritzeinrichtung gebildet sein, über die mindestens eine Leitung für elektrische Energie und/oder einen Brennstoff an den Brennraum führbar sind, wobei die mindestens eine Leitung oder Durchführung vom Kühlmedium insbesondere am zweiten Kühlbereich umströmbar ist. Beispielsweise ist der Kühlkanal am zweiten Kühlbereich ein Ringkanal, in dem das Kühlmedium mindestens eine radial verlaufende Durchführung für die Leitung umströmt.
  • Als günstig erweist es sich, wenn der zweite Kühlbereich axial zwischen der mindestens einen Auslassöffnung und der mindestens einen Einlassöffnung angeordnet ist und wenn der Kühlkanal einen vierten Kühlbereich umfasst, der an einer dem zweiten Kühlbereich gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Einlassöffnung angeordnet ist. Dies gibt die Möglichkeit, die Wandung auch jenseits der mindestens einen Einlassöffnung wirkungsvoll zu kühlen. Der Kühlkanal ist am vierten Kühlbereich vorzugsweise ein Ringkanal. Der vierte Kühlbereich kann eine Abstromseite des Kühlkanals bilden.
  • Axial zwischen dem zweiten und dem vierten Kühlbereich kann ein die Wandung zumindest teilweise umgebendes Gehäuse für zuführbares Frischgas angeordnet sein. In diesem Gehäuse aufgenommenes Frischgas kann über die mindestens eine Einlassöffnung in den Brennraum strömen. Das Gehäuse für Frischgas ermöglicht eine Beruhigung des zuströmenden Frischgases, wobei Pulsationen und Verwirbelungen gedämpft werden. Dies erweist sich als vorteilhaft im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung. Der zweite Kühlbereich und der vierte Kühlbereich sind zum Beispiel durch eine Fluidleitung, etwa eine Schlauchleitung, miteinander strömungsverbunden, die seitlich am Gehäuse vorbei geführt sein kann.
  • Günstigerweise ist der Kolben zumindest teilweise über die mindestens eine Auslassöffnung bewegbar, wobei diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben zumindest teilweise freigebbar ist. Der Kolben kann auf diese Weise einen Ventilkörper für die mindestens eine Auslassöffnung bilden. Ein gesondertes Ventil kann eingespart werden. Im unteren Totpunkt des Kolbens kann Abgas aus dem Brennraum durch die mindestens eine Auslassöffnung in den Auslassraum strömen.
  • Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine weitere Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, wobei die Kolben beider Kolbeneinrichtungen in Gegenkolbenanordnung positioniert sind, wobei der Brennraum zwischen den Kolben gebildet ist. Durch die Gegenkolbenanordnung kann vorzugsweise ein Ausgleich der bewegten Massen und Momente erzielt werden. Die Kolbeneinrichtungen oszillieren dabei entgegengesetzt zueinander in der Kolbenaufnahme. Der Brennraum ist in Folge der gegenläufigen Bewegung der Kolbeneinrichtungen größenveränderlich zwischen den Kolben gebildet.
  • Die Freikolbenvorrichtung kann eine weitere Rückfedereinrichtung umfassen, die der weiteren Kolbeneinrichtung zugeordnet ist. Die Rückfedereinrichtung kann eine Gasfeder umfassen und/oder mechanisch ausgestaltet sein.
  • Der weiteren Kolbeneinrichtung kann ebenfalls eine Energiekopplungseinrichtung zugeordnet sein, die vorzugsweise seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert ist. Die Energiekopplungseinrichtung kann einen Lineargenerator umfassen. Beispielsweise sind zwei jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme positionierte Einheiten der weiteren Energiekopplungseinrichtung vorgesehen. Jede Einheit kann durch einen Lineargenerator gebildet sein.
  • Der Kolben der weiteren Kolbeneinrichtung ist bevorzugt zumindest teilweise über die mindestens eine Einlassöffnung bewegbar, wobei diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben zumindest teilweise freigebbar ist. Dadurch kann der Kolben einen Ventilkörper für die mindestens eine Einlassöffnung bilden. Ein gesondertes Ventil kann eingespart werden. Im unteren Totpunkt des Kolbens kann Frischgas durch die mindestens eine Einlassöffnung in den Brennraum strömen.
  • Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
    • Figur 1:
    eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;
    Figur 2:
    eine Längsschnittansicht der Freikolbenvorrichtung aus Figur 1;
    Figur 3:
    eine vergrößerte Darstellung von Detail A in Figur 2;
    Figur 4:
    eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Figur 3;
    Figur 5:
    eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in Figur 3;
    Figur 6:
    eine perspektivische Darstellung einer Kolbenlaufbuchse der Freikolbenvorrichtung aus Figur 1, die von einem Kühlkanal umgeben ist, wobei die ein Kühlmedium führende Form des Kühlkanals gezeigt ist; und
    Figur 7:
    eine perspektivische Darstellung der das Kühlmedium führenden Form des Kühlkanals aus Figur 6.
  • Die Zeichnung zeigt eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, die insbesondere einen Freikolbenmotor 12 ausbildet.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst ein äußeres Gehäuse 14, das vorliegend quaderförmig ist und als Flachgehäuse ausgestaltet ist. Das Gehäuse 14 definiert zwischen einer oberen Wand 16, einer unteren Wand 18 und einer Seitenwand 20 einen Aufnahmeraum 22.
  • Im Gehäuse 14 ist eine Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Die Kolbenaufnahme 24 ist längserstreckt und definiert eine Achse 26 der Freikolbenvorrichtung 10. Die Kolbenaufnahme 24 weist ein in einzelne Abschnitte unterteiltes Gehäuse 28 von ungefähr hohlzylindrischer Gestalt auf. In dem Gehäuse 28 ist eine Kolbenlaufbuchse 30 der Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Die Kolbenlaufbuchse 30 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und in einen mittleren Abschnitt des Gehäuses 28 eingesetzt (Figuren 3 bis 5).
  • In einer Wandung 32 der Kolbenlaufbuchse 30 und damit der Kolbenaufnahme 24 sind Öffnungen gebildet. Die Öffnungen umfassen zum einen Einlassöffnungen 34 und zum anderen Auslassöffnungen 36. Vorliegend sind jeweils sieben Einlassöffnungen 34 und Auslassöffnungen 36 vorhanden, wobei deren jeweilige Anzahl auch unterschiedlich sein könnte.
  • Die Einlassöffnungen 34 sind von den Auslassöffnungen 36 axial beabstandet. "Axial" und "radial" bezieht sich vorliegend auf die Achse 26. "Axial" schließt auch eine parallel zur Achse 26 verlaufende Richtung ein.
  • Die jeweiligen Einlassöffnungen 34 sind in Umfangsrichtung der Achse 26 im Wesentlichen an derselben Position in der Wandung 32 gebildet. Entsprechendes gilt für die Auslassöffnungen 36. Die Einlassöffnungen 34 und die Auslassöffnungen 36 sind beispielsweise schlitzförmig oder schachtförmig ausgestaltet.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst zwei Kolbeneinrichtungen 38, 40. Die Kolbeneinrichtungen 38, 40 sind axial hin- und herbeweglich in der Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Jede Kolbeneinrichtung 38, 40 weist einen (Verbrennungs-)Kolben 42 auf, eine Kolbenstange 44 und einen Gegenkolben 46. Die Kolben 42 umfassen jeweils eine Kolbenfläche 48 und sind in Gegenkolbenanordnung positioniert, wobei die Kolbenflächen 48 einander zuweisen.
  • Die Kolbenaufnahme 24 umfasst einen von der Wandung 32 begrenzten Brennraum 50. Der Brennraum 50 ist in Folge der gegenläufigen Bewegung der Kolbeneinrichtungen 38, 40 größenveränderlich und zwischen den Kolbenflächen 48 gebildet.
  • Die Kolbenstange 44 verbindet den Kolben 42 mit dem Gegenkolben 46, wobei vorliegend beide Kolben 42, 46 kippbeweglich an der Kolbenstange 44 gehalten sind. Jedoch ist auch eine starre Verbindung denkbar. Quer zur Achse 26 stehen von der Kolbenstange 44 Vorsprünge 52 auf einander gegenüber liegenden Seiten ab. Die Vorsprünge 52 treten aus dem Gehäuse 28 aus und ragen in den Aufnahmeraum 22 hinein. Figur 5 zeigt schematisch die Konturen der Vorsprünge 52. Die Kolbenstange 44 weist dadurch eine ungefähr kreuzförmige Gestalt auf.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst jeder Kolbeneinrichtung 38, 40 zugeordnet eine Rückfedereinrichtung 54. Die Rückfedereinrichtung 54 umfasst vorliegend eine Gasfeder 56 mit einem Rückfederraum. Der Rückfederraum ist vom Gehäuse 28 gebildet und endseitig an diesem angeordnet.
  • Bewegen sich die Kolbeneinrichtungen 38, 40 in Folge der Verbrennung im Brennraum 50 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, wird ein Gas im Rückfederraum durch den Gegenkolben 46 komprimiert, bis der Kolben 42 seinen unteren Totpunkt einnimmt (in Figur 2 dargestellt). Bei der Expansion des Gases im Rückfederraum wird die jeweilige Kolbeneinrichtung 38, 40 wieder in die Gegenrichtung verschoben.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 weist zwei Energiekopplungseinrichtungen 58 auf, wobei jeder Kolbeneinrichtung 38, 40 eine Energiekopplungseinrichtung 58 zugeordnet ist. Jede Energiekopplungseinrichtung 58 umfasst eine erste Einheit 60 und eine zweite Einheit 62. Die Einheiten 60, 62 sind jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme 24 positioniert, jedoch auf einander gegenüberliegenden Seiten derselben. Beide Einheiten 60, 62 definieren eine gemeinsame Ebene, in der die Kolbenaufnahme 24 angeordnet ist.
  • Die Energiekopplungseinrichtungen 58 sind im Aufnahmeraum 22 des Gehäuses 14 aufgenommen. Jeder Einheit 60, 62 ist ein Raumbereich 64 des Aufnahmeraumes 22 zugeordnet, wobei jeder Raumbereich 64 von der oberen Wand 16, der unteren Wand 18, der Seitenwand 20 und der Kolbenaufnahme 24 begrenzt ist.
  • Jede Einheit 60, 62 ist durch einen Lineargenerator 66 mit einer Läuferanordnung 68 und einer Statoranordnung 70 gebildet. Die Läuferanordnung 68 ist über den Vorsprung 52 mit der Kolbenstange 44 verbunden und im Aufnahmeraum 22 parallel zur Achse 26 verschiebbar geführt. Die Läuferanordnung 68 umfasst Magnete. Die Statoranordnung 70 umfasst in der Zeichnung nicht einzeln dargestellte Spulen, die oberhalb und unterhalb der Läuferanordnung 68 angeordnet sind.
  • Figur 5 zeigt die Konturen der Läuferanordnungen 68 und der Statoranordnungen 70 zweier Einheiten 60, 62. Da der Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 38 in der Zeichnung den unteren Totpunkt einnimmt, verläuft die Schnittansicht vorliegend nicht durch die Läuferanordnungen 68, die erst bei (gedachter) Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 verschoben werden und die Schnittebene durchqueren.
  • Über die Energiekopplungseinrichtung 58 besteht die Möglichkeit, Energie in die Kolbeneinrichtung 38 oder 40 einzukoppeln bzw. dieser Energie zu entziehen. Dies erlaubt es, die Bewegung der Kolbeneinrichtung 38 oder 40 im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 zu steuern. Die Energiekopplungseinrichtungen 58 sind zu diesem Zweck von einer Steuereinrichtung 72 (Figur 2) der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar.
  • Die Freikolbenvorrichtung 10 arbeitet vorliegend nach dem Zweitaktverfahren. Eine Verbrennung im Brennraum 50 treibt die Kolben 42 ausgehend vom oberen Totpunkt auseinander, so dass diese in der Kolbenlaufbuchse 30 axial verschoben werden. Die Verschiebung erfolgt bis zu einem jeweiligen unteren Totpunkt der Kolben 42. Nehmen die Kolben 42 den unteren Totpunkt ein, sind die Einlassöffnungen 34 vom Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 40 freigegeben, und die Auslassöffnungen 36 sind vom Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 38 freigegeben. Dies ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.
  • Beim Ladungswechsel, wenn die Einlassöffnungen 34 und die Auslassöffnungen 36 freigegeben sind, wird der Brennraum 50 gespült. Frischgas strömt über die Einlassöffnungen 34 in den Brennraum 50. Abgas kann über die Auslassöffnungen 36 aus dem Brennraum 50 abgeführt werden. Es wird eine Längsspülung des Brennraumes 50 über die axial voneinander beabstandeten Öffnungen 34, 36 vorgenommen.
  • "Frischgas" ist vorliegend ein Gas oder ein Gasgemisch (insbesondere Luft) für die innere Verbrennung. Dem zugeführten Frischgas kann ein Brennstoff beigemischt sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass dem in den Brennraum 50 eingeströmten Frischgas über eine Einspritzeinrichtung ein Brennstoff beigemischt wird. Die Zündung der Ladung kann mittels einer Zündeinrichtung erfolgen, die von der Steuereinrichtung 72 ansteuerbar ist. Denkbar ist auch eine Selbstzündung, je nach dem Mischungsverhältnis von Frischgas und Abgas.
  • Die Verbrennung im Brennraum 50 führt zu einer hohen Temperatur der Wandung 32. Aufgrund der Längsspülung des Brennraumes 50 ist die Kolbenlaufbuchse 30 axial im Bereich der Auslassöffnungen 36 thermisch wesentlich höher belastet als axial im Bereich der Einlassöffnung 34. Heißes Abgas führt zu einer starken Erwärmung im Bereich der Auslassöffnungen 36, wohingegen die Temperatur im Bereich der Einlassöffnungen 34 deutlich geringer ist. Auch durch einströmendes kühles Frischgas wird dort eine Kühlung erzielt.
  • Zum Kühlen der Wandung 32 ist an der Kolbenaufnahme 24 eine Kühleinrichtung 74 angeordnet. Die Kühleinrichtung 74 weist einen Kühlkanal 76 auf.
  • Der Kühlkanal 76 kann mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, insbesondere Wasser, um Wärme von der Kolbenaufnahme 24 an deren Kolbenlaufbuchse 30 und deren Gehäuse 28 abzuführen. Zur Förderung des Kühlmediums kann die Freikolbenvorrichtung eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe aufweisen. Bei einer vorteilhaften Umsetzung der Freikolbenvorrichtung 10 erweist sich ein Strom des Kühlmediums von ungefähr fünf Litern bis zehn Litern pro Minute als vorteilhaft. Die Temperatur des Kühlmediums kann zum Beispiel ungefähr 90°C betragen.
  • Der Kühlkanal 76 weist mehrere Kühlbereiche auf. Insbesondere ist ein erster Kühlbereich 78 vorgesehen, ein zweiter Kühlbereich 80, zwei dritte Kühlbereiche 82 und ein vierter Kühlbereich 84.
  • Der erste Kühlbereich 78 ist zu der den Einlassöffnungen 34 abgewandten Seite der Auslassöffnungen 36 angeordnet. Am ersten Kühlbereich 78 bildet der Kühlkanal 76 einen Ringkanal, der die Wandung 32 in Umfangsrichtung der Achse 26 vollständig umgibt.
  • Der erste Kühlbereich 78 ist aufstromseitig am Kühlkanal 76 angeordnet. Das Kühlmedium kann über an den ersten Kühlbereich 78 angeschlossene Anschlusselemente 86 zuströmen.
  • Der zweite Kühlbereich 80 ist zu der den Einlassöffnungen 34 zugewandten Seite der Auslassöffnungen 36 angeordnet. Die Kühlbereiche 78 und 80 sind somit auf axial gegenüberliegenden Seiten der Auslassöffnungen 36 positioniert. Der zweite Kühlbereich 80 ist somit zwischen den Einlassöffnungen 34 und den Auslassöffnungen 36 angeordnet.
  • Am zweiten Kühlbereich 80 ist der Kühlkanal 76 ebenfalls als Ringkanal ausgestaltet, der die Wandung 32 in Umfangsrichtung der Achse 26 vollständig umgibt. Es können Durchgangsöffnungen in der Wandung 32 für daran anschließbare Leitungen gebildet sein. Die Leitungen sind insbesondere zum Zuführen von Brennstoff und/oder elektrischer Energie zum Brennraum 50 vorgesehen. Die Leitungen können von dem den zweiten Kühlbereich 80 durchströmenden Kühlmedium umströmt werden.
  • Der erste Kühlbereich 78 und der zweite Kühlbereich 80 sind über die dritten Kühlbereiche 82, auf die nachfolgend noch eingegangen wird, miteinander strömungsverbunden.
  • Der vierte Kühlbereich 84 ist zu der den Auslassöffnungen 36 abgewandten Seite der Einlassöffnungen 34 angeordnet. Die Kühlbereiche 80 und 84 sind somit axial auf gegenüberliegenden Seiten der Einlassöffnungen 34 positioniert. Am vierten Kühlbereich 84 bildet der Kühlkanal 76 einen Ringkanal, der die Achse 26 in Umfangsrichtung vollständig umgibt.
  • Der zweite Kühlbereich 80 und der vierte Kühlbereich 84 sind über in der Zeichnung nicht gezeigte Fluidleitungen miteinander strömungsverbunden.
  • Anschlusselemente 88 am zweiten Kühlbereich 80 und Anschlusselemente 90 am vierten Kühlbereich 84 können zum Anschließen der Fluidleitungen vorgesehen sein.
  • Der vierte Kühlbereich 84 ist abstromseitig am Kühlkanal 76 angeordnet. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, die Kolbenaufnahme 24 ausgehend vom ersten Kühlbereich 78 bis zum vierten Kühlbereich 84 wirkungsvoll zu kühlen. Dabei wird zunächst der besonders heiße Bereich der Kolbenaufnahme 24 an und nahe den Auslassöffnungen 36 mit dem noch verhältnismäßig kühlen Kühlmedium gekühlt. Anschließend wird die Kolbenaufnahme 24 im Bereich der Mitte des Brennraumes 50 gekühlt, und schließlich die Kolbenaufnahme 24 im Bereich der Einlassöffnungen 34, wo eine deutlich geringere Temperatur vorherrscht als im Bereich der Auslassöffnungen 36.
  • Wie erwähnt ist die Kolbenlaufbuchse 30 in das Gehäuse 28 eingesetzt. Der erste Kühlbereich 78, der zweite Kühlbereich 80 und der vierte Kühlbereich 84 sind radial zwischen der Kolbenlaufbuchse 30 und dem sie umgebenden mittleren Abschnitt des Gehäuses 28 gebildet. Radial innenseitig begrenzt die Wandung 32 die Kühlbereiche 78, 80 und 84, und radial außenseitig werden diese durch das Gehäuse 28 begrenzt.
  • In der Zeichnung nicht dargestellte Dichtelemente, insbesondere O-Ringe, dichten den Kühlkanal 76 zwischen der Kolbenlaufbuchse 30 und dem Gehäuse 28.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen den zum besseren Erkennen mit einer Markierung versehenen von Kühlmedium durchströmbaren Bereich des Kühlkanals 76. Der mit der Markierung (umgedrehtes Komma) in den Figuren 6 und 7 gezeigte Bereich wird vom Kühlmedium eingenommen.
  • Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, dass der Kühlkanal 76 durch die Ausgestaltung der Kühlbereiche 78, 80 und 84 einen Kühlmantel ausbildet, der die Kolbenlaufbuchse 30 axial außer im Bereich der Einlassöffnungen 34 und der Auslassöffnungen 36 mantelförmig umgibt und radial innenseitig von der Wandung 32 sowie radial außenseitig vom Gehäuse 28 begrenzt ist.
  • Nachfolgend wird auf die Ausgestaltung der Kolbenaufnahme 24 und des Kühlkanals 76 und die erfindungsgemäß erzielbare verbesserte Kühlung der Kolbenaufnahme 24 insbesondere im Bereich der Auslassöffnungen 36 eingegangen. Auch die Übertragung von Wärme an die Einheiten 60, 62 der Energiekopplungseinrichtung 58 kann wie nachfolgend erläutert erheblich verringert werden.
  • Wie insbesondere aus den Figuren 3 bis 5 ersichtlich ist, sind die Auslassöffnungen 36 in Umfangsrichtung der Achse 26 in der Wandung 32 gebildet. Die Kolbenaufnahme 24 bildet einen außenseitig an der Wandung 32 angeordneten Auslassraum 92. Abgas gelangt über die Auslassöffnungen 36 in den sie umgebenden Auslassraum 92. Radial innenseitig wird der Auslassraum 92 von der Wandung 32 begrenzt und radial außenseitig von einer Außenwand 94 des Gehäuses 28. Stirnwände 96 und 98 begrenzen den Auslassraum 92 in axialer Richtung. Die Stirnwände 96, 98 werden, siehe insbesondere Figur 4, durch radiale Vorsprünge der Wandung 32 und des Gehäuses 28 gebildet.
  • An die Kolbenaufnahme 24 ist eine in der Zeichnung nicht gezeigte Auslassleitung für Abgas angeschlossen. Figur 5 zeigt ein diesbezügliches Anschlusselement 102.
  • Zwischen benachbarten Auslassöffnungen 36 weist die Wandung 32 Wandsegmente 100 auf. In axialer Richtung erstrecken sich die Wandsegmente 100 über die Länge der Auslassöffnungen 36.
  • Zum Kühlen der Wandung 32 an den Wandsegmenten 100 umfasst der Kühlkanal 76 Kühlkanalabschnitte 104. Die Kühlkanalabschnitte 104 verlaufen axial, wobei durch jedes Wandsegment 100 mindestens ein Kühlkanalabschnitt 104 verläuft (Figur 5). Die Kühlkanalabschnitte 104 stellen eine Strömungsverbindung vom ersten Kühlbereich 78 zum zweiten Kühlbereich 80 bereit, was insbesondere in Figur 7 erkennbar ist. Wärme kann dadurch wirkungsvoll von den besonders heißen Stellen an den Wandsegmenten 100 abgeführt werden.
  • Eine weitere Strömungsverbindung der Kühlbereiche 78 und 80 wird durch die zwei dritten Kühlbereiche 82 bereitgestellt. Die Kühlbereiche 82 liegen einander bezüglich der Achse 26 gegenüber und ermöglichen eine Kühlung der Kolbenaufnahme 24 an einander gegenüberliegenden Seiten. Die dritten Kühlbereiche 82 dienen insbesondere zum Kühlen der Kolbenaufnahme 24 axial im Bereich der Auslassöffnungen 36.
  • Die Kühlbereiche 82 sind symmetrisch bezüglich einander gebildet, weswegen nachfolgend nur auf einen der dritten Kühlbereiche 82 eingegangen wird.
  • Der dritte Kühlbereich 82 umfasst einen ersten Kühlkanalabschnitt 106, einen zweiten Kühlkanalabschnitt 108 und einen dritten Kühlkanalabschnitt 110.
  • Der erste Kühlkanalabschnitt 106 bildet die Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich 78. Der Kühlkanalabschnitt 106 verläuft im Anschluss an den Kühlbereich 78 unter Neigung zur Achse 26, wobei er jedoch nahezu quer zu dieser ausgerichtet ist (Figuren 4 und 6). Der erste Kühlkanalabschnitt 106 verläuft entlang der dem Auslassraum 92 abgewandten Seite der Stirnwand 98.
  • Der zweite Kühlkanalabschnitt 108 ist radial außerhalb des Auslassraumes 92 angeordnet, in radialer Richtung seitlich neben der Außenwand 94 des Auslassraumes 92. Radial außenseitig ist der zweite Kühlkanalabschnitt 108 durch eine Kanalwand 112 begrenzt. Dadurch ist der dritte Kühlbereich in axialer Richtung zumindest längs der Erstreckung des Auslassraumes 92 von Kühlmedium durchströmbar, wobei der Kühlbereich 82 radial von der Außenwand 94 und der Kanalwand 112 begrenzt ist.
  • Der zweite Kühlkanalabschnitt 108 verläuft axial und ist tangential bezüglich der Achse 26 außenseitig am Gehäuse 28 gebildet. In Umfangsrichtung der Achse 26 erstreckt sich der Kühlbereich 82 am zweiten Kühlkanalabschnitt 108 über einen Teilwinkel. Der zweite Kühlkanalabschnitt 108 überdeckt einen Winkelbereich von ungefähr 50° bis 60°.
  • Vorliegend ist der zweite Kühlkanalabschnitt 108 als Flachkanal ausgestaltet, wobei dessen Breite quer zur Strömungsrichtung erheblich größer ist als dessen Höhe in radialer Richtung (Figur 5). Die Breite des zweiten Kühlkanalabschnitts 108 beträgt vorliegend mehr als der Durchmesser des Brennraumes. Dadurch bildet der dritte Kühlbereich 82 am zweiten Kühlkanalabschnitt 108 eine verhältnismäßig große Wärmesenke, über die wirkungsvoll Wärme von der Außenwand 94 abgeführt werden kann, die durch die Ableitung des heißen Abgases durch den Auslassraum 92 auftritt.
  • Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 verbindet den zweiten Kühlkanalabschnitt 108 mit dem zweiten Kühlbereich 80. Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 ist relativ zur Achse 26 geneigt und vorliegend in zwei Pfade 114 unterteilt (Figuren 6 und 7). Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 verläuft entlang der dem Auslassraum 92 abgewandten Seite der Stirnwand 96.
  • Auch die Kühlkanalabschnitte 106 und 110 sind als Flachkanäle ausgestaltet. Ferner erstrecken sie sich in Umfangsrichtung der Achse 26 über denselben Winkelumfang wie der Kühlkanalabschnitt 108.
  • Das Vorsehen der dritten Kühlbereiche 82 erlaubt es, eine wirkungsvolle Kühlung der Kolbenaufnahme 24 auch entlang der axialen Erstreckung des Auslassraumes 92 sicherzustellen. Die Anforderungen an Auswahl und Anpassung der Materialien werden herabgesetzt, und die Freikolbenvorrichtung 10 ist insgesamt kostengünstiger und einfacher herzustellen und zu betreiben.
  • Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass eine Abwärme auf die Raumbereiche 64 und die darin angeordneten Lineargeneratoren 66 vermieden werden kann, da die dritten Kühlbereiche 82 zwischen dem Auslassraum 92 und den Raumbereichen 64 angeordnet sind. Die Betriebstemperatur der Lineargeneratoren 66 wird sich dadurch nicht in einem Umfang erhöhen, so dass deren Funktionalität eingeschränkt wird (beispielsweise in Folge einer temperaturbedingten Entmagnetisierung).
  • Stattdessen ist es sogar möglich, Abwärme der Lineargeneratoren 66 vom Kühlmedium am dritten Kühlbereich 82 aufzunehmen und abzuführen. Hierzu ist es von besonderem Vorteil, dass die Kanalwand 112 zugleich abschnittsweise eine Wandung des seitlich daneben angeordneten Raumbereiches 64 bildet. Abwärme der Lineargeneratoren 66 kann dadurch auch mittels der Kühleinrichtung 74 abgeführt werden, was die Anforderungen an die innere Kühlung der Lineargeneratoren 66 verringert.
  • Zugleich wird eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung 10 in Flachbauweise durch die seitlich neben der Kolbenaufnahme 24 angeordneten Einheiten 60, 62 möglich.
    • Bezugszeichen
    • 10
    Freikolbenvorrichtung
    12
    Freikolbenmotor
    14
    Gehäuse
    16
    obere Wand
    18
    untere Wand
    20
    Seitenwand
    22
    Aufnahmeraum
    24
    Kolbenaufnahme
    26
    Achse
    28
    Gehäuse
    30
    Kolbenlaufbuchse
    32
    Wandung
    34
    Einlassöffnung
    36
    Auslassöffnung
    38
    Kolbeneinrichtung
    40
    Kolbeneinrichtung
    42
    Kolben
    44
    Kolbenstange
    46
    Gegenkolben
    48
    Kolbenfläche
    50
    Brennraum
    52
    Vorsprung
    54
    Rückfedereinrichtung
    56
    Gasfeder
    58
    Energiekopplungseinrichtung
    60
    Einheit
    62
    Einheit
    64
    Raumbereich
    66
    Lineargenerator
    68
    Läuferanordnung
    70
    Statoranordnung
    72
    Steuereinrichtung
    74
    Kühleinrichtung
    76
    Kühlkanal
    78
    erster Kühlbereich
    80
    zweiter Kühlbereich
    82
    dritter Kühlbereich
    84
    vierter Kühlbereich
    86
    Anschlusselement
    88
    Anschlusselement
    90
    Anschlusselement
    92
    Auslassraum
    94
    Außenwand
    96
    Stirnwand
    98
    Stirnwand
    100
    Wandsegment
    102
    Anschlusselement
    104
    Kühlkanalabschnitt
    106
    Kühlkanalabschnitt
    108
    Kühlkanalabschnitt
    110
    Kühlkanalabschnitt
    112
    Kanalwand
    114
    Pfad

Claims (15)

  1. Freikolbenvorrichtung, umfassend:
    - eine Kolbenaufnahme (24) mit einer Achse (26), wobei die Kolbenaufnahme (24) einen von einer Wandung (32) begrenzten Brennraum (50) umfasst oder bildet, in der mindestens eine Einlassöffnung (34) für die Zufuhr von Frischgas und, in axialer Richtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung (36) für die Abfuhr von Abgas gebildet sind,
    - mindestens eine Kolbeneinrichtung (38) mit einem Kolben (42), die in der Kolbenaufnahme (24) längs der Achse (26) hin- und herbeweglich angeordnet ist,
    - eine an der Kolbenaufnahme (24) angeordnete Kühleinrichtung (74) zum Kühlen der Wandung (32), welche Kühleinrichtung (74) einen radial außenseitig an der Wandung (32) angeordneten und diese in Umfangsrichtung der Achse (26) zumindest teilweise umgebenden Kühlkanal (76) für ein Kühlmedium umfasst oder bildet, der axial auf einander gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Auslassöffnung (36) einen ersten Kühlbereich (78) und einen zweiten Kühlbereich (80) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Kolbenaufnahme (24) einen außenseitig an der Wandung (32) angeordneten Auslassraum (92) umfasst oder bildet, der radial innenseitig von der Wandung (32) und radial außenseitig von einer Außenwand (94) der Kolbenaufnahme (24) begrenzt ist, wobei Abgas über die mindestens eine Auslassöffnung (36) in den Auslassraum (92) eintritt und eine Auslassleitung für Abgas an den Auslassraum (92) angeschlossen ist,
    - dass der Kühlkanal (76) mindestens einen sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Achse (26) erstreckenden dritten Kühlbereich (82) aufweist, der den ersten Kühlbereich (78) und den zweiten Kühlbereich (80) längs der axialen Erstreckung des Auslassraumes (92) miteinander strömungsverbindet und zumindest abschnittsweise radial außerhalb des Auslassraumes (92) positioniert ist,
    - dass der dritte Kühlbereich (82) zumindest im Bereich des Auslassraumes (92) radial innenseitig von der Außenwand (94) der Kolbenaufnahme (24) und radial außenseitig von einer Kanalwand (112) begrenzt ist, wobei der dritte Kühlbereich (82) zwischen der Außenwand (94) und der Kanalwand (112) vom Kühlmedium durchströmbar ist.
  2. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (76) zwei dritte Kühlbereiche (82) aufweist, die einander bezüglich der Achse (26) gegenüberliegend an der Kolbenaufnahme (24) angeordnet sind und/oder dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) einen axial verlaufenden Kühlkanalabschnitt (108) aufweist, der radial neben der Außenwand (94) des Auslassraumes (92) angeordnet ist.
  3. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (84) axial neben dem Auslassraum (92) einen quer oder geneigt zur Achse (26) verlaufenden Kühlkanalabschnitt (106) zur Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich (78) umfasst und/oder dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) axial neben dem Auslassraum (92) einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt (110) zur Strömungsverbindung mit dem zweiten Kühlbereich (80) umfasst.
  4. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (76) am mindestens einen dritten Kühlbereich (82) zumindest radial neben dem Auslassraum (92) als Flachkanal ausgestaltet ist und/oder dass eine Breite des Kühlkanals (76) am mindestens einen dritten Kühlbereich (82) zumindest radial neben dem Auslassraum (92) mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser des Brennraumes (50) ist.
  5. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) in Umfangsrichtung der Achse (26) einen Winkelbereich von 45° bis 60° überdeckt, zumindest radial neben dem Auslassraum (92), und/oder dass der Kühlkanal (76) am ersten und/oder am zweiten Kühlbereich (78, 80) ein Ringkanal ist.
  6. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (32) eine Mehrzahl von Auslassöffnungen (36) gebildet ist, über die der Brennraum (50) in den Auslassraum (92) mündet, wobei in Umfangsrichtung der Achse (26) benachbarte Auslassöffnungen (36) über jeweils ein Wandsegment (100) der Wandung (32) voneinander getrennt sind, und dass der Kühlkanal (76) zumindest in einem Teil der Wandsegmente (100) Kühlkanalabschnitte (104) umfasst oder bildet, die den ersten Kühlbereich (78) mit dem zweiten Kühlbereich (80) strömungsverbinden, vorzugsweise dass die Kühlkanalabschnitte (104) axial verlaufen und/oder dass in jedem Wandsegment (100) zumindest ein Kühlkanalabschnitt (104) verläuft.
  7. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlbereich (78) aufstromseitig am Kühlkanal (76) angeordnet ist und zu einer der mindestens einen Einlassöffnung (34) abgewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung (36) angeordnet ist und dass der zweite Kühlbereich (80) zu einer der mindestens einen Einlassöffnung (34) zugewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung (36) angeordnet ist, wobei das Kühlmedium durch den ersten Kühlbereich (78) und den mindestens einen dritten Kühlbereich (82) hindurch zum zweiten Kühlbereich (80) strömt.
  8. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenaufnahme (24) ein Gehäuse (28) aufweist und eine von diesem aufgenommene Kolbenlaufbuchse (30), wobei der erste Kühlbereich (78), der zweite Kühlbereich (80) und/oder der Auslassraum (92) radial zwischen der Kolbenlaufbuchse (30) und dem Gehäuse (28) gebildet sind.
  9. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (94) eine Außenwand (94) des Gehäuses (28) der Kolbenaufnahme (24) ist.
  10. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine mit der Kolbeneinrichtung (38) gekoppelte Energiekopplungseinrichtung (58) umfasst, über die Energie der Kolbeneinrichtung (38) auskoppelbar oder über die Energie an die Kolbeneinrichtung (38) einkoppelbar ist, insbesondere dass die Energiekopplungseinrichtung (58) mindestens einen Lineargenerator (66) umfasst.
  11. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) einen die Energiekopplungseinrichtung (58) aufnehmenden Aufnahmeraum (22) umfasst und dass die den mindestens einen dritten Kühlbereich (82) radial außenseitig begrenzende Kanalwand (112) abschnittsweise eine Wandung des Aufnahmeraumes (22) bildet.
  12. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtung (58) seitlich neben der Kolbenaufnahme (24) positioniert ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung (58) abschnittsweise seitlich neben dem mindestens einen dritten Kühlbereich (82) angeordnet ist, und/oder dass die Energiekopplungseinrichtung (58) eine erste Einheit (60) und eine zweite Einheit (62) umfasst, die jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme (24) und einem jeweiligen dritten Kühlbereich (82) positioniert sind, wobei die Kolbenaufnahme (24) und die dritten Kühlbereiche (82) zwischen den Einheiten (60, 62) der Energiekopplungseinrichtung (58) angeordnet sind.
  13. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlbereich (80) axial zwischen der mindestens einen Auslassöffnung (36) und der mindestens einen Einlassöffnung (34) angeordnet ist und dass der Kühlkanal (76) einen vierten Kühlbereich (84) umfasst, der an einer dem zweiten Kühlbereich (80) gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Einlassöffnung (34) angeordnet ist, wobei der Kühlkanal (76) am vierten Kühlbereich (84) vorzugsweise ein Ringkanal ist.
  14. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (42) zumindest teilweise über die mindestens eine Auslassöffnung (36) bewegbar ist und dass diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (42) zumindest teilweise freigebbar ist.
  15. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine weitere Kolbeneinrichtung (40) mit einem Kolben (42) umfasst, wobei die Kolben (42) beider Kolbeneinrichtungen (40) in Gegenkolbenanordnung positioniert sind, wobei der Brennraum (50) zwischen den Kolben (42) gebildet ist, vorzugsweise dass der Kolben (42) der weiteren Kolbeneinrichtung (40) zumindest teilweise über die mindestens eine Einlassöffnung (34) bewegbar ist und dass diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (42) zumindest teilweise freigebbar ist.
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