EP3458682A1 - Freikolbenvorrichtung und verfahren zum betreiben einer freikolbenvorrichtung - Google Patents

Freikolbenvorrichtung und verfahren zum betreiben einer freikolbenvorrichtung

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EP3458682A1
EP3458682A1 EP17723378.0A EP17723378A EP3458682A1 EP 3458682 A1 EP3458682 A1 EP 3458682A1 EP 17723378 A EP17723378 A EP 17723378A EP 3458682 A1 EP3458682 A1 EP 3458682A1
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EP
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piston
opening
free
piston device
bottom dead
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Stephan Schneider
Florian Kock
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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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

Definitions

  • the invention relates to a free-piston device, comprising a piston receptacle, in which at least one piston device with a piston is linearly reciprocatingly arranged, wherein the piston receptacle comprises a wall bounded by a combustion chamber or forms, in the at least one first opening and at least one second opening are formed, which openings at least one inlet opening for the supply of fresh gas and, spaced in the direction of movement of the piston means thereof, at least one outlet opening for the removal of exhaust gas for a longitudinal purge of the combustion chamber, wherein the movement of the at least one piston means is controllable by means of a control device.
  • the invention relates to a method for operating such a free-piston device.
  • DE 10 2008 053 069 A1 describes a free-piston device with two piston devices and pistons positioned in an opposing piston arrangement.
  • the piston of the first piston device releases at the bottom dead center an inlet opening and an outlet opening for a transverse flushing of the combustion chamber.
  • the second piston device can be operated such that the second piston selectively releases or obstructs an outlet opening axially spaced from the above-mentioned openings, when the piston of the second piston device assumes the bottom dead center.
  • a longitudinal flushing of the combustion chamber can thereby be carried out depending on the load.
  • Object of the present invention is to provide a free-piston device of the type mentioned and a method for operating such a free-piston device, in which or an operating point of the free-piston device is more versatile adjustable.
  • a generic free-piston device in that the piston is at least partially movable over the at least one first opening and that the bottom dead center of the piston is adjustable, wherein the at least one first opening when taking the bottom dead center partially released by the piston and partially obstructed is for adjusting a free cross-sectional area of the at least one first opening and / or that an opening period is adjustable during which the piston at least partially releases the at least one first opening when passing through the bottom dead center, while maintaining the position of the bottom dead center ,
  • the free-piston device it is possible to influence the flushing process for the combustion chamber during the charge exchange.
  • the amount of fresh gas or dischargeable exhaust gas that can be supplied via the at least one first opening can be adjusted by controlling the movement of the piston device by the control device during operation of the free piston device.
  • the adjustment of the amount of fresh gas and / or exhaust gas constructively simply by the fact that the bottom dead center of the piston is chosen so that the at least one first opening partially released to release a desired opening cross-section and otherwise partially blocked.
  • more or less fresh gas or exhaust gas can flow through the at least one first opening.
  • This can be achieved according to the invention as an alternative or in addition also by the fact that the movement of the piston device is controlled in operation in such a way that the opening duration is set, during which the at least one first opening - - tion is fully or at least partially released, the position of the bottom dead center of the piston is not changed relative to the piston itself. Accordingly, it is possible to set the time required for the piston to pass through the bottom dead center, thereby influencing the duration during which the fresh gas can flow into the combustion chamber or exhaust gas can be removed from the combustion chamber.
  • the solution according to the invention makes it possible to influence the flushing process for the combustion chamber, whereby a versatile operation of the free-piston device is possible.
  • the ratio of fresh gas and exhaust gas can be adjusted with regard to optimized combustion.
  • from an operation with low residual gas content (much fresh gas and low exhaust gas) with spark ignition to an operation with high residual gas content (lower amount of fresh gas and higher proportion of exhaust gas) are switched with auto-ignition. This is preferably possible cycle-individually, for each cycle of the piston device.
  • a smaller residual gas content (about 5% or less) remains in the combustion chamber, when passing through the bottom dead center of the piston for the subsequent cycle, the charge exchange can be carried out so that a comparatively high proportion of residual gas (about 50%) is provided so that immediately after a self-ignition is possible, and vice versa.
  • a low residual gas content (approximately less than 5%) nor a high residual gas content is present and which are energetically unfavorable can be avoided.
  • the opening duration of the at least one opening it is possible to control the charge pressure and thus also the temperature in the combustion chamber, for example, at a constant frequency of the free piston device.
  • About the boost pressure can be, for example, with the same filling of the combustion chamber, preferably control flow conditions in the combustion chamber such as turbulence, spin and tumble.
  • the time of the charge exchange over the opening duration of the at least one inlet opening or outlet opening and / or over the releasable cross-sectional area.
  • the charge change can be adjusted in particular depending on the frequency of the free-piston device, the desired charge pressure, the residual gas content, the ignition variant (external or auto-ignition), the desired load and / or the flow ratio (turbulence, spin, tumble ).
  • control or “control” is to be construed as meaning alternatively or additionally also “regulation” or “regulation”.
  • “Control” is therefore to be understood in this case as “control and / or regulation”.
  • fresh gas is understood as meaning a gas or gas mixture (in particular air) for the internal combustion in the combustion chamber, it also being possible for a fuel to be admixed with the gas or gas mixture.
  • 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 herein refers to a combustion product of internal combustion.
  • a supply line for fresh gas or a discharge line for exhaust gas is connected or connectable to the at least one inlet opening and the at least one outlet opening.
  • the at least one first opening and the at least one second opening in the wall are configured, for example, slit-shaped.
  • first opening for example, a plurality of first openings which are formed in the circumferential direction of an axis of the piston device in the wall.
  • second opening of which a plurality may be present.
  • the at least one first opening can be completely released when taking the bottom dead center by the piston. As a result, the amount of incoming fresh gas or exhaust gas flowing out can be maximized.
  • the at least one inlet opening, along the direction of movement of the piston device, spaced from each outlet opening can be understood in particular as meaning that there is no outlet opening transversely to the direction of movement of the piston device of a respective inlet opening and accordingly no transverse flushing of the combustion chamber is undertaken. Instead, there is only a longitudinal rinse on the along the direction of movement spaced apart inlet. Outlet ports.
  • the free piston device preferably comprises an energy coupling device coupled to the control device, wherein the movement of the at least one piston device is controllable by the control device via the energy coupling device.
  • the control device can control the energy coupling device for controlling the movement of the piston device.
  • the energy coupling device in particular comprises a linear generator.
  • the linear generator may comprise a rotor arrangement fixed to the piston device and a stator arrangement fixed to the piston receiver. Runner arrangement and
  • Stator arrangement comprise in particular magnets or coils.
  • the free piston device comprises a return spring device coupled to the control device for the at least one piston device.
  • the return spring device can be controlled by the control device for controlling the movement of the at least one piston device.
  • the return spring device is or in particular comprises a gas spring.
  • the hardness of the gas spring can, also in operation, by means of the control device preferably by the supply of gas or the removal of gas a - - be asked.
  • a mechanical return spring device can be provided as the return spring device.
  • the at least one first opening is an inlet opening and the at least one second opening is an outlet opening.
  • the at least one first opening is an outlet opening and the at least one second opening is an inlet opening.
  • An advantageous embodiment of the free-piston device provides (exactly) a piston device, wherein at least one controllable by the control valve for releasing or blocking the at least one second opening is arranged at the at least one second opening.
  • the piston of a piston device releases the at least one first opening at bottom dead center at least partially and / or the opening duration of the at least one first opening is adjustable as explained above.
  • Via the at least one valve at the second opening the at least one second opening can be released via the control device and thereby the charge exchange can be carried out.
  • the at least one second opening is arranged, for example, on the front side on the wall of the combustion chamber and lies opposite a piston surface of the piston.
  • the free-piston device comprises a further piston device with a piston which is linearly reciprocatingly arranged in the piston holder, wherein the pistons of both piston devices are positioned in opposing piston arrangement and the combustion chamber formed between the pistons is.
  • the piston of the further piston device is at least partially movable over at least one further opening of the wall, and the amount of exhaust gas or feedable fresh gas which can be discharged via the at least one further opening can be controlled by the movement of the further piston device during operation of the control device.
  • influence can be made on the flushing process and the charge change in the present embodiment.
  • the amount of exhaust gas discharged via the at least one further opening or supplied fresh gas can be influenced by the control device controlling the movement of the second piston device as well.
  • the at least one further opening is in particular and advantageously the at least one second opening.
  • the control of the movements of the piston devices may be such that via a respective piston, the amount of fresh gas via the at least one first or exhaust gas via the at least one second opening during operation of the free-piston device is adjustable.
  • the at least one further opening is at least one first opening, the at least one second opening being positioned along the direction of movement of the piston devices between the first openings.
  • At the at least one second opening for example, a controllable by the control valve is provided.
  • the bottom dead center of the piston of the further piston device is adjustable, wherein the at least one further opening partially freed when taking the bottom dead center by the piston and is partially blocked for setting a free cross-sectional area of the at least one further opening.
  • the amount of supplyable fresh gas or exhaust gas can be adjusted as in the free-piston device according to the invention.
  • an opening duration is adjustable, during which the piston of the further piston device at least partially releases the at least one further opening when passing through the bottom dead center, even while maintaining the position of the bottom dead center.
  • the movement of the further piston device can be controlled such that the time for passing through the bottom dead center of the further piston is set to adjust the amount of deliverable fresh gas or purgeable exhaust gas.
  • a same stroke of both piston devices is adjustable.
  • the movement of both piston devices is antisymmetric controllable to each other.
  • the free-piston device preferably comprises a return spring device for the further piston device.
  • the movement of the further piston device can also be controlled.
  • at least one further piston device is associated with a return spring device and / or energy coupling device coupled to the control device, wherein the movement of the at least one further piston device is controllable via the return spring device and / or the energy coupling device, wherein the energy coupling device preferably comprises a linear generator.
  • the free piston device may comprise a return spring device and / or an energy coupling device for controlling a respective piston device.
  • the at least one first opening and the at least one second opening are arranged symmetrically to one another on the piston receptacle and / or configured. This is particularly advantageous for the same stroke and anti-symmetrical movement of the piston devices. - -
  • the present invention also relates to a method for operating a free-piston device, comprising a piston receptacle, in which at least one piston device with a piston is linearly reciprocatingly arranged, wherein the piston receptacle comprises a wall bounded by a combustion chamber or forms, in the at least one first opening and at least one second opening are formed, which openings at least one inlet opening for the supply of fresh gas and, spaced in the direction of movement of the piston means, at least one outlet opening for the discharge of exhaust gas for a longitudinal purge of the combustion chamber, wherein the movement of at least one piston device is controlled by means of a control device.
  • the object mentioned in the present invention is achieved in that the piston is at least partially moved over the at least one first opening and that the bottom dead center of the piston is adjusted, wherein the at least one first opening when taking the bottom dead center by the piston is partially released and partially blocked for adjusting a free cross-sectional area of the at least one first opening and / or that an opening period is set during which the piston, the at least one first opening when passing through the bottom dead center, while maintaining the position of the bottom dead center, at least partially releases.
  • advantageous embodiments of the method according to the invention result from advantageous embodiments of the device according to the invention. Also in this regard, reference may be made to the above statements. - -
  • the method according to the invention permits, during operation of the free-piston device, to set the flushing process and thus the charge cycle.
  • the boost pressure and thus the temperature in the combustion chamber is adjustable.
  • the flow conditions such as turbulence, spin and tumble can be controlled.
  • a transition from an operation with spark ignition at low residual gas content to an operation with auto-ignition at high residual gas content and vice versa is feasible cycle-individually.
  • Figure 1 a schematic representation of a free piston device according to the invention
  • Figure 2 an enlarged view of detail A in Figure 1, wherein two
  • Piston of the free piston device occupy a respective bottom dead center
  • FIG. 3 a representation corresponding to FIG. 2, the pistons being in the
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 2, wherein the free-piston device has a different operating point and the pistons assume a different bottom dead center;
  • FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4, wherein the pistons are in the
  • FIG. 6 shows a partial view of a further preferred embodiment of a free-piston device whose piston assumes a bottom dead center;
  • Figure 7 is a view corresponding to Figure 6, wherein the free-piston device is operated at a different operating point and the piston occupies a different bottom dead center;
  • FIG. 8 shows schematically a piston position as a function of time for a free-piston device according to the invention, which is operated with two different operating points in which different times for the charge exchange are achieved.
  • Figure 1 shows an occupied by the reference numeral 10 advantageous embodiment of a free piston device according to the invention, which in particular forms a free-piston engine 12.
  • the free piston device 10 comprises a housing 14 forming a piston seat 16.
  • two piston means 18, 20 along a common axis defined by them 22 arranged linearly back and forth.
  • a respective piston device 18, 20 comprises a piston 24 or 26, a piston rod 28 or 30 and an opposing piston 32 or 34.
  • the piston devices 18, 20 and thus the pistons 24, 26 are positioned in opposed piston arrangement, wherein piston surfaces 36 of the piston 24, 26 face each other.
  • the piston receptacle 16 comprises a combustion chamber 40 delimited by a wall 38 of the housing 14.
  • the combustion chamber 40 is variable in size as a result of the opposite movement of the piston devices 18, 20 and is formed between the piston surfaces 36.
  • first openings 42 and second openings 44 are formed in the wall 38. In each case, two first or two second openings 42, 44 are present - -, but the number could be different.
  • the openings 42, 44 are configured, for example, as slots in the wall 38.
  • the first openings 42 are inlet openings 46. Via the inlet openings 46, fresh gas can flow into the combustion chamber 40 during the charge cycle.
  • To the wall 38 may be connected in the drawing, not shown inlet lines, which open via the inlet openings 46 into the combustion chamber 40.
  • the second openings 44 are outlet openings 48. Exhaust gas can be removed from the combustion chamber 40 via the outlet openings 48 during the charge cycle. At the outlet openings 48 outlet pipes not shown in the drawing may be connected to the wall 38, wherein the combustion chamber 40 opens via the outlet openings 48 in the outlet ducts.
  • the inlet openings 46 are arranged symmetrically to the outlet openings 48 on the piston receptacle 16 and can preferably be configured identically to these.
  • the inlet openings 46 are assigned to the piston device 18 and in particular to the piston 24 thereof.
  • the piston 24 forms a valve body for closing and releasing the inlet openings 46.
  • the piston 24 releases the inlet openings at bottom dead center completely or partially, and the opening duration of the inlet openings 46 can be adjusted.
  • the outlet openings 48 are assigned to the piston device 20 and in particular to its piston 26.
  • the piston 26 forms a valve body for closing and releasing the outlet openings 48.
  • the piston 26 releases the outlet openings completely or partially, and the opening duration of the outlet openings 48 can be adjusted.
  • the piston devices 18, 20 are favorably designed identically.
  • the free-piston device 10 has the piston device 18 associated with a return spring means 50, which is preferably designed as a gas spring 52.
  • a resilience space 54 is formed with gas received therein.
  • the piston device 18 moves under compression of the gas in the resilience space 54.
  • the piston device 18 is moved in the opposite direction.
  • a return spring device 56 configured as a gas spring 58, is provided for the piston device 20, with a return spring space 60 formed in the piston receptacle 16.
  • the free-piston device 10 has an energy coupling device 62 assigned to the piston device 18, configured here as a linear generator 64.
  • the linear generator 64 comprises a rotor arrangement 66 on the piston rod 28 and a stator arrangement 68 on the piston receptacle 16.
  • the free-piston device 10 comprises, associated with the piston device 20, an energy coupling device 70 configured as a linear generator 72.
  • the linear generator 72 comprises a rotor arrangement 74 on the piston rod 30 and a stator arrangement 76 on the piston receptacle 16.
  • the free-piston device 10 has a control device 78.
  • the control device 78 is, schematically represented via control lines 79 and 80, coupled to the return spring device 50 and the return spring device 56.
  • the spring force of the gas springs 52, 58 can be adjusted by means of the control device 78 for controlling the movement of the piston device 18, 20 in operation. - -
  • control lines 81 and 82 show schematically the coupling of the control device 78 with the linear generators 64 and 72, respectively.
  • control in the present case also includes in particular "regulating”.
  • an ignition device 84 may be provided which can be controlled by the control device 78 via a control line 86.
  • an injection device not shown in the drawing can be provided on the combustion chamber 40, likewise controllable by the control device 78.
  • a fuel can be introduced into the combustion chamber 40 via the injection device.
  • the "fresh gas" which can be supplied via the inlet openings 46 can be a gas-fuel mixture of gas or gas mixture with admixed fuel.
  • the free-piston device 10 is operated in two-stroke operation, in which the piston devices 18, 20 are moved antisymmetrically to each other.
  • the compressed in the combustion chamber 40 gas-fuel mixture is ignited by means of the ignition device 84 or by auto-ignition, whereby the piston means 18, 20 are driven apart.
  • the inlet openings 46 and the outlet openings 48 are at least partially released as explained below.
  • Both pistons 24, 26 pass through a respective top dead center OT and a respective bottom dead center UT. - -
  • the amount of fresh gas that can flow into the combustion chamber 40 via the inlet openings 46 during the charge exchange can be controlled by the movement of the piston device 18, and / or the amount of exhaust gas that is transferred during the charge cycle Outlet openings 48 can flow out of the combustion chamber 40.
  • the piston 24 acts as a valve body for the inlet openings 46 and is at least partially movable over them.
  • the control device 78 can adjust the movement of the piston device 18 to assume a predefinable bottom dead center UT. This is shown by way of example in FIG. 2, the position of the bottom dead center being identified as UTl.
  • the inlet openings 46 in the example of FIG. 2 are partially opened and partially blocked by the piston 24.
  • the free cross-sectional area for controlling the amount of fresh gas flowing in during the charge exchange can thereby be adjusted.
  • the movement of the piston device 20 can advantageously be controlled in the free piston device 10 in a corresponding manner so that the outlet openings 48 are fully or partially released from the piston 26.
  • the example of FIG. 2 shows that the piston 26, which also forms a valve body for the outlet openings 48, assumes a bottom dead center UTI '. The outlet openings 48 are partially released from the piston 26 and otherwise blocked.
  • the movement can be controlled such that the free cross-sectional area of the outlet openings 48 is adjusted in order to control the amount of exhaust gas discharged during the charge exchange and rinsing process.
  • FIG. 4 shows, by way of example, how the movements of the piston devices 18, 20 can be differently controlled to assume a different operating point of the free-piston device 10.
  • the movement of the piston device 18 is controlled such that its piston 24 completely releases the inlet openings 46 when taking the bottom dead center UT2.
  • the amount of fresh gas flowing in during the charge exchange is greater than in the example shown in FIG. 2, because the free cross-sectional area of the inlet openings 46 is larger and in particular maximized.
  • the movement of the piston means 20 is controlled so that the outlet openings 48 are fully released when the piston 26 reaches the bottom dead center UT2 '. Due to the larger cross-sectional area than in the example shown in Figure 2, the amount of exhaust gas discharged at the charge exchange is greater than when the piston 26, as explained above, the bottom dead center UT1 'occupies.
  • FIGS. 3 and 5 illustrate schematically how different residual gas contents are present after the flushing process in the combustion chamber 40 during the upward movement of the pistons 24, 26.
  • Fresh gas is represented in FIGS. 3 and 5 by open circles 88 and residual gas by black dots 90.
  • the content of residual gas in the combustion chamber 40 is greater than at the example of Figure 4, in which the inlet openings 46 and 48 are fully open.
  • the boost pressure in the combustion chamber 40 so that its temperature and due to the boost pressure, the flow ratio such as turbulence, spin or tumble are varied in the combustion chamber 40.
  • FIGS. 6 and 7 show a partial representation of a further free-piston device according to the invention, designated by the reference numeral 100.
  • the free-piston device 100 differs from the free-piston device 10 in that only one piston device 18 is provided.
  • the wall 38 is closed on the piston surface 36 opposite side of the piston 24 and has an end wall 102 in this area.
  • the outlet openings 48 are formed in the end wall 102.
  • a controllable by the controller 78 valve 104 is assigned.
  • Figures 6 and 7 do not show the return spring device 50 and the energy coupling device 62, but these are also provided in the free-piston device 100.
  • the position of the bottom dead center of the piston 24 can also be adjusted in operation so that the amount of inflowing fresh gas is controlled.
  • the valves 104 are opened, so that exhaust gas can be removed from the combustion chamber 40.
  • the situation of Figure 6 corresponds to the example of Figure 2, and the situation of Figure 7 the example of Figure 4.
  • the outlet openings 48 are completely released via the valves 104, and only the amount of inflowing fresh gas is through the Position of the respective bottom dead center UTl or UT2 of the piston 24 varies.
  • the possibility is given to vary the residual gas content in the combustion chamber 40.
  • an opening duration by the movement of a piston device, for which opening duration the inlet openings 46 or the outlet openings 48 are opened - - are, wherein the position of a bottom dead center of the piston is not changed.
  • a first trajectory 106 is shown drawn through a piston and a second trajectory 108 is shown in phantom for the same piston.
  • the piston is, for example, the piston 24 of the piston device 18, but it could also be the piston 26 of the piston device 20.
  • the trajectories 106 and 108 show the piston position relative to the piston seat as a function of time.

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Abstract

Freikolbenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben, mit einem Kolben (24) der linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, mit einem von einer Wandung (38) begrenzten Brennraum (40), in der eine erste Öffnung (42) und eine zweite Öffnung (44) gebildet sind, welche Einlassöffnung (46) unde Auslassöffnung (48) umfassen, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (18) mittels einer Steuereinrichtung (78) steuerbar ist. Damint ein Betriebspunkt der Freikolbenvorrichtung vielseitiger einstellbar ist, ist der untere Totpunkt des Kolbens (24) einstellbar, wobei die mindestens eine erste Öffnung (42) bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (24) teilweise freigegeben und teilweise versperrt ist zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche. Alternativ ist eine Öffnungsdauer (112, 114) einstellbar, während der Kolben (24) die mindestens eine erste Öffnung (42) beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.

Description

FREIKOLBENVORRICHTUNG UND
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER FREIKOLBENVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme einen von einer Wandung begrenzten Brennraum umfasst oder bildet, in der mindestens eine erste Öffnung und mindestens eine zweite Öffnung gebildet sind, welche Öffnungen mindestens eine Einlassöffnung für die Zufuhr von Frischgas und, in Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung für die Abfuhr von Abgas für eine Längsspülung des Brennraumes umfassen, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung mittels einer Steuereinrichtung steuerbar ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Freikolbenvorrichtung.
Die DE 10 2008 053 069 AI beschreibt eine Freikolbenvorrichtung mit zwei Kolbeneinrichtungen und in Gegenkolbenanordnung positionierten Kolben. Der Kolben der ersten Kolbeneinrichtung gibt im unteren Totpunkt eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für eine Querspülung des Brennraumes frei. Die zweite Kolbeneinrichtung kann so betrieben werden, dass der zweite Kolben lastabhängig eine von den oben genannten Öffnungen axial beabstandete Auslassöffnung wahlweise freigibt oder versperrt, wenn der Kolben der zweiten Kolbeneinrichtung den unteren Totpunkt einnimmt. Zusätzlich zur Querspülung kann dadurch lastabhängig eine Längsspülung des Brennraumes vorgenommen werden.
In der DE 10 2008 053 068 AI ist eine Freikolbenvorrichtung beschrieben, bei der eine Quer-, Längs- und Umkehrspülung des Brennraumes vorgenommen werden kann. - -
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Freikolbenvorrichtung bereit zu stellen, bei der bzw. dem ein Betriebspunkt der Freikolbenvorrichtung vielseitiger einstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben zumindest teilweise über die mindestens eine erste Öffnung bewegbar ist und dass der untere Totpunkt des Kolbens einstellbar ist, wobei die mindestens eine erste Öffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben teilweise freigegeben und teilweise versperrt ist zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen ersten Öffnung und/oder dass eine Öffnungsdauer einstellbar ist, während der der Kolben die mindestens eine erste Öffnung beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.
Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung besteht die Möglichkeit, den Spülvorgang für den Brennraum beim Ladungswechsel zu beeinflussen. Die Menge an über die mindestens eine erste Öffnung zuführbarem Frischgas oder abführbarem Abgas kann über die Steuerung der Bewegung der Kolbeneinrichtung durch die Steuereinrichtung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung eingestellt werden. Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik ist es nicht erforderlich, zusätzliche Öffnungen an der Kolbenaufnahme für unterschiedliche Spülkanäle vorzusehen. Stattdessen kann bei der Erfindung die Einstellung der Menge an Frischgas und/oder Abgas konstruktiv einfach dadurch erfolgen, dass der untere Totpunkt des Kolbens so gewählt wird, dass die mindestens eine erste Öffnung teilweise zur Freigabe eines gewünschten Öffnungsquerschnittes freigegeben und ansonsten teilweise versperrt ist. Je nach Größe der freien Querschnittsfläche kann mehr oder weniger Frischgas bzw. Abgas durch die mindestens eine erste Öffnung strömen. Dies kann erfindungsgemäß alternativ oder ergänzend auch dadurch erzielt werden, dass die Bewegung der Kolbeneinrichtung im Betrieb derart gesteuert wird, dass die Öffnungsdauer eingestellt wird, während der die mindestens eine erste Öff- - - nung ganz oder zumindest teilweise freigegeben ist, wobei die Position des unteren Totpunktes des Kolbens relativ zur Kolbenaufnahme selber nicht verändert wird . Es kann dementsprechend die Zeit eingestellt werden, die der Kolben zum Durchlaufen des unteren Totpunktes benötigt und dadurch die Dauer beeinflusst werden, während der Frischgas in den Brennraum einströmen bzw. Abgas aus dem Brennraum abgeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, den Spülvorgang für den Brennraum zu beeinflussen, wodurch ein vielseitiger Betrieb der Freikolbenvorrichtung möglich ist. Beispielsweise kann das Verhältnis von Frischgas und Abgas im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung eingestellt werden. So kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform zum Beispiel von einem Betrieb mit niedrigem Restgasanteil (viel Frischgas und wenig Abgas) mit Fremdzündung auf einen Betrieb mit hohem Restgasanteil (geringere Menge an Frischgas und höherer Anteil an Abgas) mit Selbstzündung umgeschaltet werden. Dies ist vorzugsweise zyklusindividuell möglich, für jeden Zyklus der Kolbeneinrichtung. Während in einem ersten Zyklus beispielsweise für Fremdzündung ein geringerer Restgasanteil (ungefähr 5% oder weniger) im Brennraum verbleibt, kann beim Durchfahren des unteren Totpunktes des Kolbens für den darauffolgenden Zyklus der Ladungswechsel so durchgeführt werden, dass ein vergleichsweise hoher Restgasanteil (ungefähr 50%) vorgesehen wird, damit unmittelbar darauffolgend eine Selbstzündung möglich ist, und umgekehrt. Betriebspunkte, bei denen weder ein geringer Restgasanteil (ungefähr kleiner als 5%) noch ein hoher Restgasanteil vorhanden ist und die energetisch ungünstig sind, können vermieden werden.
Durch Einstellen der Öffnungsdauer der mindestens einen Öffnung lässt sich beispielsweise bei konstanter Frequenz der Freikolbeneinrichtung der Ladedruck und damit auch die Temperatur im Brennraum steuern . Über den Ladedruck lassen sich, beispielsweise bei gleicher Füllung des Brennraumes, bevorzugt Strömungsverhältnisse im Brennraum wie Turbulenz, Drall und Tumble steuern. - -
Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, die Zeit des Ladungswechsels zu steuern - über die Öffnungsdauer der mindestens einen Einlassöffnung oder Auslassöffnung und/oder über die freigebbare Querschnittsfläche. Der Ladungswechsel kann dadurch insbesondere abhängig von der Frequenz der Freikolbenvorrichtung, vom gewünschten Ladedruck, vom Restgasanteil, von der Zündvariante (Fremd- oder Selbstzündung), der gewünschten Last und/oder vom Strömungsverhältnis (Turbulenz, Drall, Tumble...) eingestellt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist "Steuerung" oder "steuern" dahingehend auszulegen, dass damit alternativ oder ergänzend auch "Regelung" bzw. "regeln" gemeint ist. "Steuerung" ist vorliegend daher als "Steuerung und/oder Regelung" aufzufassen.
Unter "Frischgas" wird vorliegend ein Gas oder Gasgemisch (insbesondere Luft) für die innere Verbrennung im Brennraum verstanden, wobei dem Gas oder Gasgemisch 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.
Es versteht sich, dass an die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung eine Zufuhrleitung für Frischgas bzw. eine Abfuhrleitung für Abgas angeschlossen bzw. anschließbar ist.
Die mindestens eine erste Öffnung und die mindestens eine zweite Öffnung in der Wandung sind beispielsweise schlitzförmig ausgestaltet.
Es kann mehr als eine erste Öffnung vorgesehen sein, beispielsweise eine Mehrzahl von ersten Öffnungen, die in Umfangsrichtung einer Achse der Kolbeneinrichtung in der Wandung gebildet sind . Entsprechendes gilt für die zweite Öffnung, derer eine Mehrzahl vorhanden sein kann. - -
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die mindestens eine erste Öffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben vollständig freigebbar ist. Dadurch kann die Menge an zuströmendem Frischgas bzw. abströmendem Abgas maximiert werden.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Einlassöffnung, längs der Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung, von jeder Auslassöffnung beabstandet. Darunter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass quer zur Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung einer jeweiligen Einlassöffnung keine Auslassöffnung gegenüber liegt und dementsprechend keine Querspülung des Brennraumes vorgenommen wird. Stattdessen erfolgt allein eine Längsspülung über die längs der Bewegungsrichtung voneinander beabstandeten Einlassbzw. Auslassöffnungen.
Die Freikolbenvorrichtung umfasst bevorzugt eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Energiekopplungseinrichtung, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung von der Steuereinrichtung über die Energiekopplungseinrichtung steuerbar ist. Die Steuereinrichtung kann die Energiekopplungseinrichtung zum Steuern der Bewegung der Kolbeneinrichtung ansteuern. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, wenn die Energiekopplungseinrichtung insbesondere einen Lineargenerator umfasst. Der Lineargenerator kann eine an der Kolbeneinrichtung festgelegte Läuferanordnung umfassen und eine an der Kolbenaufnahme festgelegte Statoranordnung . Läuferanordnung und
Statoranordnung umfassen insbesondere Magnete bzw. Spulen.
Von Vorteil ist es, wenn die Freikolbeneinrichtung eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Rückfedereinrichtung für die mindestens eine Kolbeneinrichtung umfasst. Vorzugsweise ist die Rückfedereinrichtung von der Steuereinrichtung zum Steuern der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung ansteuerbar. Die Rückfedereinrichtung ist oder umfasst insbesondere eine Gasfeder. Die Härte der Gasfeder kann, auch im Betrieb, mittels der Steuereinrichtung bevorzugt durch die Zufuhr von Gas oder die Abfuhr von Gas ein- - - gestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann als Rückfedereinrichtung eine mechanische Rückfedereinrichtung vorgesehen sein.
Bei einer vorteilhaften Umsetzung der Freikolbenvorrichtung ist die mindestens eine erste Öffnung eine Einlassöffnung und die mindestens eine zweite Öffnung eine Auslassöffnung.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Umsetzung kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine erste Öffnung eine Auslassöffnung ist und die mindestens eine zweite Öffnung eine Einlassöffnung .
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung sieht (genau) eine Kolbeneinrichtung vor, wobei an der mindestens einen zweiten Öffnung mindestens ein von der Steuereinrichtung ansteuerbares Ventil zum Freigeben oder Sperren der mindestens einen zweiten Öffnung angeordnet ist. Der Kolben der einen Kolbeneinrichtung gibt die mindestens eine erste Öffnung im unteren Totpunkt zumindest teilweise frei und/oder die Öffnungsdauer der mindestens einen ersten Öffnung ist wie eingangs erläutert einstellbar. Über das mindestens eine Ventil an der zweiten Öffnung kann über die Steuereinrichtung die mindestens eine zweite Öffnung freigegeben und dadurch der Ladungswechsel durchgeführt werden. Die mindestens eine zweite Öffnung ist zum Beispiel stirnseitig an der Wandung des Brennraumes angeordnet und liegt einer Kolbenfläche des Kolbens gegenüber.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform ist es günstig, wenn die Freikolbenvorrichtung eine weitere Kolbeneinrichtung mit einem Kolben um- fasst, die in der Kolbenaufnahme linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolben beider Kolbeneinrichtungen in Gegenkolbenanordnung positioniert sind und 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. - -
Vorzugsweise ist der Kolben der weiteren Kolbeneinrichtung zumindest teilweise über mindestens eine weitere Öffnung der Wandung bewegbar, und die Menge an über die mindestens eine weitere Öffnung abführbarem Abgas oder zuführbarem Frischgas ist über die Bewegung der weitern Kolbeneinrichtung im Betrieb der Steuereinrichtung steuerbar. In entsprechender Weise wie im Bereich der mindestens einen ersten Öffnung kann bei der vorliegenden Ausführungsform Einfluss auf den Spülvorgang und den Ladungswechsel genommen werden. Die Menge an über die mindestens eine weitere Öffnung abgeführtem Abgas oder zugeführtem Frischgas kann beeinflusst werden, indem die Steuereinrichtung die Bewegung auch der zweiten Kolbeneinrichtung steuert.
Die mindestens eine weitere Öffnung ist insbesondere und vorteilhafterweise die mindestens eine zweite Öffnung . Die Steuerung der Bewegungen der Kolbeneinrichtungen kann derart erfolgen, dass über einen jeweiligen Kolben die Menge an Frischgas über die mindestens eine erste bzw. Abgas über die mindestens eine zweite Öffnung im Betrieb der Freikolbenvorrichtung einstellbar ist.
Bei einer andersartigen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine weitere Öffnung mindestens eine erste Öffnung ist, wobei die mindestens eine zweite Öffnung, längs der Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtungen, zwischen den ersten Öffnungen positioniert ist. An der mindestens einen zweiten Öffnung ist zum Beispiel ein von der Steuereinrichtung ansteuerbares Ventil vorgesehen.
Vorteilhafterweise ist der untere Totpunkt des Kolbens der weiteren Kolbeneinrichtung einstellbar, wobei die mindestens eine weitere Öffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben teilweise freigegen und teilweise versperrt ist zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen weiteren Öffnung. Dadurch lässt sich die Menge an zuführbarem Frischgas oder abführbarem Abgas wie bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung einstellen. - -
Alternativ oder ergänzend ist eine Öffnungsdauer einstellbar, während der der Kolben der weiteren Kolbeneinrichtung die mindestens eine weitere Öffnung beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt. Die Bewegung der weiteren Kolbeneinrichtung kann derart gesteuert werden, dass die Zeit zum Durchlaufen des unteren Totpunktes des weiteren Kolbens dahingehend eingestellt wird, die Menge an zuführbarem Frischgas oder abführbarem Abgas einzustellen.
Günstigerweise ist ein gleicher Hub beider Kolbeneinrichtungen einstellbar.
Vorzugsweise ist die Bewegung beider Kolbeneinrichtungen antisymmetrisch zueinander steuerbar.
Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Rückfedereinrichtung für die weitere Kolbeneinrichtung.
Wie erwähnt kann auch die Bewegung der weiteren Kolbeneinrichtung gesteuert werden. Zu diesem Zweck ist/sind der mindestens einen weiteren Kolbeneinrichtung eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Rückfedereinrichtung und/oder Energiekopplungseinrichtung zugeordnet, wobei die Bewegung der mindestens einen weiteren Kolbeneinrichtung über die Rückfedereinrichtung und/oder die Energiekopplungseinrichtung steuerbar ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung vorzugsweise einen Lineargenerator umfasst. Die Freikolbenvorrichtung kann zur Steuerung einer jeweiligen Kolbeneinrichtung eine Rückfedereinrichtung und/oder eine Energiekopplungseinrichtung umfassen.
Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die mindestens eine erste Öffnung und die mindestens eine zweite Öffnung symmetrisch zueinander an der Kolbenaufnahme angeordnet und/oder ausgestaltet sind. Dies ist insbesondere bei gleichem Hub und antisymmetrischer Bewegung der Kolbeneinrichtungen zueinander von Vorteil. - -
Wie eingangs erwähnt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme einen von einer Wandung begrenzten Brennraum umfasst oder bildet, in der mindestens eine erste Öffnung und mindestens eine zweite Öffnung gebildet sind, welche Öffnungen mindestens eine Einlassöffnung für die Zufuhr von Frischgas und, in Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung für die Abfuhr von Abgas für eine Längsspülung des Brennraumes umfassen, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung mittels einer Steuereinrichtung gesteuert wird.
Bei einem derartigen Verfahren wird die eingangs genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben zumindest teilweise über die mindestens eine erste Öffnung bewegt wird und dass der untere Totpunkt des Kolbens eingestellt wird, wobei die mindestens eine erste Öffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben teilweise freigegeben und teilweise versperrt wird zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen ersten Öffnung und/oder dass eine Öffnungsdauer eingestellt wird, während der der Kolben die mindestens eine erste Öffnung beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.
Die Vorteile, die im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erwähnt wurden, können durch Ausführung des Verfahrens erzielt werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen kann daher auf die voranstehenden Erläuterungen verwiesen werden.
Insbesondere ergeben sich vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens durch vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden. - -
Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren im Betrieb der Freikolbenvorrichtung, den Spülvorgang und damit den Ladungswechsel einzustellen. Der Ladedruck und damit die Temperatur im Brennraum ist einstellbar. Die Strömungsverhältnisse wie Turbulenz, Drall und Tumble können gesteuert werden. Vorzugsweise ist zyklusindividuell ein Übergang von einem Betrieb mit Fremdzündung bei niedrigen Restgasanteil zu einem Betrieb mit Selbstzündung bei hohem Restgasanteil und umgekehrt durchführbar.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung . Die nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtungen erlauben die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen :
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;
Figur 2 : eine vergrößerte Darstellung von Detail A in Figur 1, wobei zwei
Kolben der Freikolbenvorrichtung einen jeweiligen unteren Totpunkt einnehmen;
Figur 3 : eine Darstellung entsprechend Figur 2, wobei die Kolben sich in der
Aufwärtsbewegung befinden;
Figur 4: eine Darstellung entsprechend Figur 2, wobei die Freikolbenvorrichtung einen unterschiedlichen Betriebspunkt aufweist und die Kolben einen unterschiedlichen unteren Totpunkt einnehmen;
Figur 5 : eine Darstellung entsprechend Figur 4, wobei die Kolben sich in der
Aufwärtsbewegung befinden; - -
Figur 6: eine Teildarstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Freikolbenvorrichtung, deren Kolben einen unteren Totpunkt einnimmt;
Figur 7 : eine Darstellung entsprechend Figur 6, wobei die Freikolbenvorrichtung mit einem anderen Betriebspunkt betrieben wird und der Kolben einen andersartigen unteren Totpunkt einnimmt; und
Figur 8: schematisch eine Kolbenposition abhängig von der Zeit für eine erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtung, die mit zwei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben wird, bei denen unterschiedliche Zeiten für den Ladungswechsel erzielt werden.
Figur 1 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, die insbesondere einen Freikolbenmotor 12 ausbildet.
Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst eine ein Gehäuse 14 bildende Kolbenaufnahme 16. In der Kolbenaufnahme 16 sind zwei Kolbeneinrichtungen 18, 20 längs einer von ihnen definierten gemeinsamen Achse 22 linear hin- und herbeweglich angeordnet. Eine jeweilige Kolbeneinrichtung 18, 20 umfasst einen Kolben 24 bzw. 26, eine Kolbenstange 28 bzw. 30 und einen Gegenkolben 32 bzw. 34. Die Kolbeneinrichtungen 18, 20 und damit die Kolben 24, 26 sind in Gegenkolbenanordnung positioniert, wobei Kolbenflächen 36 der Kolben 24, 26 einander zugewandt sind .
Die Kolbenaufnahme 16 umfasst einen von einer Wandung 38 des Gehäuses 14 begrenzten Brennraum 40. Der Brennraum 40 ist in Folge der gegenläufigen Bewegung der Kolbeneinrichtungen 18, 20 größenveränderlich und zwischen den Kolbenflächen 36 gebildet.
In der Wandung 38 sind erste Öffnungen 42 und zweite Öffnungen 44 gebildet. Vorliegend sind jeweils zwei erste bzw. zwei zweite Öffnungen 42, 44 vor- - - handen, wobei die Anzahl jedoch auch unterschiedlich sein könnte. Die Öffnungen 42, 44 sind beispielsweise als Schlitze in der Wandung 38 ausgestaltet.
Die ersten Öffnungen 42 sind Einlassöffnungen 46. Über die Einlassöffnungen 46 kann beim Ladungswechsel Frischgas in den Brennraum 40 einströmen. An die Wandung 38 können in der Zeichnung nicht dargestellte Einlassleitungen angeschlossen sein, die über die Einlassöffnungen 46 in den Brennraum 40 münden.
Die zweiten Öffnungen 44 sind Auslassöffnungen 48. Über die Auslassöffnungen 48 kann beim Ladungswechsel Abgas aus dem Brennraum 40 abgeführt werden. An den Auslassöffnungen 48 können in der Zeichnung nicht gezeigte Auslassleitungen an die Wandung 38 angeschlossen sein, wobei der Brennraum 40 über die Auslassöffnungen 48 in die Auslassleitungen mündet.
Die Einlassöffnungen 46 sind symmetrisch zu den Auslassöffnungen 48 an der Kolbenaufnahme 16 angeordnet und können vorzugsweise identisch zu diesen ausgestaltet sein.
Die Einlassöffnungen 46 sind der Kolbeneinrichtung 18 und insbesondere deren Kolben 24 zugeordnet. Der Kolben 24 bildet einen Ventilkörper zum Verschließen und Freigeben der Einlassöffnungen 46 aus. Je nach Hub und Verlauf der Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 gibt der Kolben 24 die Einlassöffnungen im unteren Totpunkt ganz oder teilweise frei, und die Öffnungsdauer der Einlassöffnungen 46 kann eingestellt werden.
Die Auslassöffnungen 48 sind der Kolbeneinrichtung 20 und insbesondere deren Kolben 26 zugeordnet. Der Kolben 26 bildet einen Ventilkörper zum Verschließen und Freigeben der Auslassöffnungen 48 aus. Je nach Hub und Verlauf der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 gibt der Kolben 26 die Auslassöffnungen ganz oder teilweise frei, und die Öffnungsdauer der Auslassöffnungen 48 kann eingestellt werden. - -
Die Kolbeneinrichtungen 18, 20 sind günstigerweise identisch ausgestaltet.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist der Kolbeneinrichtung 18 zugeordnet eine Rückfedereinrichtung 50 auf, die bevorzugt als Gasfeder 52 ausgestaltet ist. In der Kolbenaufnahme 16 ist ein Rückfederraum 54 mit darin aufgenommenem Gas gebildet. Bei einer Verbrennung im Brennraum 40 bewegt sich die Kolbeneinrichtung 18 unter Kompression des Gases im Rückfederraum 54. Bei der Expansion des Gases wird die Kolbeneinrichtung 18 in Gegenrichtung bewegt.
In entsprechender Weise ist für die Kolbeneinrichtung 20 eine Rückfedereinrichtung 56, ausgestaltet als Gasfeder 58, vorgesehen, mit einem in der Kolbenaufnahme 16 gebildeten Rückfederraum 60.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist eine der Kolbeneinrichtung 18 zugeordnete Energiekopplungseinrichtung 62 auf, vorliegend ausgestaltet als Lineargenerator 64. Der Lineargenerator 64 umfasst eine Läuferanordnung 66 an der Kolbenstange 28 und eine Statoranordnung 68 an der Kolbenaufnahme 16.
In entsprechender Weise umfasst die Freikolbenvorrichtung 10 der Kolbeneinrichtung 20 zugeordnet eine als Lineargenerator 72 ausgestaltete Energiekopplungseinrichtung 70. Der Lineargenerator 72 umfasst eine Läuferanordnung 74 an der Kolbenstange 30 und eine Statoranordnung 76 an der Kolbenaufnahme 16.
Die Freikolbenvorrichtung 10 weist eine Steuereinrichtung 78 auf. Die Steuereinrichtung 78 ist, schematisch dargestellt über Steuerleitungen 79 und 80, mit der Rückfedereinrichtung 50 bzw. der Rückfedereinrichtung 56 gekoppelt. Vorzugsweise kann die Federkraft der Gasfedern 52, 58 mittels der Steuereinrichtung 78 zum Steuern der Bewegung der Kolbeneinrichtung 18, 20 im Betrieb eingestellt werden. - -
Alternativ oder ergänzend kann die Bewegung der Kolbeneinrichtungen 18, 20 unabhängig voneinander durch Ansteuerung der Lineargeneratoren 64 bzw. 72 gesteuert werden. Steuerleitungen 81 und 82 zeigen schematisch die Kopplung der Steuereinrichtung 78 mit den Lineargeneratoren 64 bzw. 72.
Wie bereits erwähnt umfasst "steuern" vorliegend insbesondere auch "regeln".
Am Brennraum 40 kann eine Zündeinrichtung 84 vorgesehen sein, die von der Steuereinrichtung 78 über eine Steuerleitung 86 ansteuerbar ist. Ebenfalls kann am Brennraum 40 eine in der Zeichnung nicht gezeigte Einspritzeinrichtung vorgesehen sein, ebenfalls ansteuerbar von der Steuereinrichtung 78. Über die Einspritzeinrichtung kann ein Brennstoff in den Brennraum 40 eingebracht werden.
Alternativ oder ergänzend zur Einspritzeinrichtung ist bei der Freikolbenvorrichtung 10 vorgesehen, dass das über die Einlassöffnungen 46 zuführbare "Frischgas" ein Gas-Brennstoff-Gemisch aus Gas oder Gasgemisch mit beigemischtem Brennstoff sein kann.
Die Freikolbenvorrichtung 10 wird im Zweitaktbetrieb betrieben, bei dem die Kolbeneinrichtungen 18, 20 antisymmetrisch zueinander bewegt werden. Das im Brennraum 40 verdichtete Gas-Brennstoff-Gemisch wird mittels der Zündeinrichtung 84 oder durch Selbstzündung gezündet, wodurch die Kolbeneinrichtungen 18, 20 auseinander getrieben werden. Dabei werden die Einlassöffnungen 46 und die Auslassöffnungen 48 wie nachfolgend erläutert zumindest teilweise freigegeben. Es erfolgt eine Längsspülung des Brennraumes 40 (Figuren 2 und 4) mit durch die Einlassöffnung 46 eintretendem Frischgas und durch die Auslassöffnung 48 abgeführtem Abgas. Durch die Aufwärtsbewegung der Kolben 24, 26 aufgrund der Gasfedern 52, 58 wird das Brennstoffgemisch zum Durchlaufen des nachfolgenden Zyklus verdichtet.
Beide Kolben 24, 26 durchlaufen einen jeweiligen oberen Totpunkt OT und einen jeweiligen unteren Totpunkt UT. - -
Erfindungsgemäß ist bei der Freikolbenvorrichtung 10 vorgesehen, dass die Menge an Frischgas, die beim Ladungswechsel über die Einlassöffnungen 46 in den Brennraum 40 einströmen kann, durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 steuerbar ist, und/oder die Menge an Abgas, die beim Ladungswechsel über die Auslassöffnungen 48 aus dem Brennraum 40 ausströmen kann.
Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass der Kolben 24 als Ventilkörper für die Einlassöffnungen 46 wirkt und zumindest teilweise über diese bewegbar ist. Die Steuereinrichtung 78 kann die Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 zur Einnahme eines vorgebbaren unteren Totpunktes UT einstellen. Dies ist beispielhaft in Figur 2 gezeigt, wobei die Position des unteren Totpunktes als UTl gekennzeichnet ist.
Nimmt der Kolben 24 den unteren Totpunkt UTl ein, sind die Einlassöffnungen 46 beim Beispiel der Figur 2 teilweise geöffnet und teilweise vom Kolben 24 versperrt. Durch die Steuerung der Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 kann dadurch die freie Querschnittsfläche zum Steuern der beim Ladungswechsel einströmenden Menge an Frischgas eingestellt werden.
Die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 kann bei der Freikolbenvorrichtung 10 vorteilhafterweise in entsprechender Weise so gesteuert werden, dass die Auslassöffnungen 48 vom Kolben 26 ganz oder teilweise freigegeben sind . Am Beispiel der Figur 2 ist dargestellt, dass der Kolben 26, der für die Auslassöffnungen 48 ebenfalls einen Ventilkörper bildet, einen unteren Totpunkt UTl' einnimmt. Dabei sind die Auslassöffnungen 48 vom Kolben 26 teilweise freigegeben und ansonsten versperrt.
Somit kann auch bei der Kolbeneinrichtung 20 die Bewegung derart gesteuert werden, dass die freie Querschnittsfläche der Auslassöffnungen 48 eingestellt wird, um die Menge an abgeführtem Abgas beim Ladungswechsel und Spülvorgang zu steuern . - -
Die Figur 4 zeigt beispielhaft, wie die Bewegungen der Kolbeneinrichtungen 18, 20 zur Einnahme eines unterschiedlichen Betriebspunktes der Freikolbenvorrichtung 10 andersartig steuerbar sind . Dabei ist die Bewegung der Kolbeneinrichtung 18 so gesteuert, dass deren Kolben 24 bei Einnahme des unteren Totpunktes UT2 die Einlassöffnungen 46 vollständig freigibt. Die Menge an beim Ladungswechsel einströmendem Frischgas ist größer als bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel, weil die freie Querschnittsfläche der Einlassöffnungen 46 größer und insbesondere maximiert ist.
In entsprechender Weise ist die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 so gesteuert, dass die Auslassöffnungen 48 dann, wenn der Kolben 26 den unteren Totpunkt UT2' einnimmt, vollständig freigegeben sind. Aufgrund der größeren Querschnittsfläche als bei dem in der Figur 2 gezeigten Beispiel ist die Menge an abgeführtem Abgas beim Ladungswechsel größer, als wenn der Kolben 26 wie vorstehend erläutert den unteren Totpunkt UT1' einnimmt.
Die Figuren 3 und 5 verdeutlichen schematisch, wie nach dem Spülvorgang im Brennraum 40 bei der Aufwärtsbewegung der Kolben 24, 26 unterschiedliche Restgasgehalte vorhanden sind . Frischgas ist in den Figuren 3 und 5 durch offene Kreise 88 dargestellt und Restgas durch schwarze Punkte 90. Weil bei dem Beispiel der Figur 2 die Einlassöffnungen 46 und 48 beim Ladungswechsel nur teilweise geöffnet sind, ist der Gehalt an Restgas im Brennraum 40 größer als bei dem Beispiel der Figur 4, bei der die Einlassöffnungen 46 und 48 vollständig geöffnet sind.
Durch die Erfindung besteht die Möglichkeit, im laufenden Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 und insbesondere zyklusindividuell den Restgasgehalt im Brennraum 40 zu variieren. Beispielsweise kann von einem verhältnismäßig hohen Restgasgehalt (Figuren 2 und 3) mit Selbstzündungsbetrieb zu einem Betrieb mit verhältnismäßig geringem Restgasanteil (Figuren 4 und 5) mit Fremdzündung über die Zündeinrichtung 84 und umgekehrt gewechselt werden. - -
Über den Spülvorgang kann der Ladedruck im Brennraum 40, damit dessen Temperatur sowie aufgrund des Ladedruckes das Strömungsverhältnis wie Turbulenz, Drall oder Tumble im Brennraum 40 variiert werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Teildarstellung einer weiteren, mit dem Bezugszeichen 100 belegten erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile der Freikolbenvorrichtungen 10, 100 werden identische Bezugszeichen benutzt. Die Freikolbenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der Freikolbenvorrichtung 10 dadurch, dass nur eine Kolbeneinrichtung 18 vorgesehen ist. Die Wandung 38 ist an der der Kolbenfläche 36 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 24 geschlossen und weist in diesem Bereich eine Stirnwand 102 auf. In der Stirnwand 102 sind vorliegend die Auslassöffnungen 48 gebildet. An der jeweiligen Auslassöffnung 48 ist ein von der Steuereinrichtung 78 ansteuerbares Ventil 104 zugeordnet.
Die Figuren 6 und 7 zeigen nicht die Rückfedereinrichtung 50 und die Energiekopplungseinrichtung 62, diese sind jedoch bei der Freikolbenvorrichtung 100 ebenfalls vorgesehen.
Bei der Freikolbenvorrichtung 100 kann die Lage des unteren Totpunktes des Kolbens 24 ebenfalls im Betrieb so eingestellt werden, dass die Menge an einströmendem Frischgas gesteuert wird . Beim Ladungswechsel sind die Ventile 104 geöffnet, damit Abgas aus dem Brennraum 40 abgeführt werden kann. Die Situation der Figur 6 entspricht dabei dem Beispiel der Figur 2, und die Situation der Figur 7 dem Beispiel der Figur 4. In beiden Situationen sind jedoch die Auslassöffnungen 48 über die Ventile 104 komplett freigegeben, und nur die Menge an einströmendem Frischgas wird durch die Lage des jeweiligen unteren Totpunktes UTl bzw. UT2 des Kolbens 24 variiert. Jedoch ist auch hier die Möglichkeit gegeben, den Restgasgehalt im Brennraum 40 zu variieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, eine Öffnungsdauer durch die Bewegung einer Kolbeneinrichtung einzustellen, für welche Öffnungsdauer die Einlassöffnungen 46 oder die Auslassöffnungen 48 geöffnet - - sind, wobei die Position eines unteren Totpunktes des Kolbens nicht verändert wird .
Dies ist sowohl bei der Freikolbenvorrichtung 10 als auch bei der Freikolbenvorrichtung 100 möglich, und es wird anhand der Figur 8 erläutert, in der eine erste Bahnkurve 106 für einen Kolben durchgezogen dargestellt ist und eine zweite Bahnkurve 108 für denselben Kolben gestrichelt dargestellt ist. Der Kolben ist beispielsweise der Kolben 24 der Kolbeneinrichtung 18, es könnte sich jedoch auch um den Kolben 26 der Kolbeneinrichtung 20 handeln. Die Bahnkurven 106 und 108 zeigen die Kolbenposition relativ zur Kolbenaufnahme in Abhängigkeit von der Zeit.
Bei der Bewegung des Kolbens wird zumindest die Position des unteren Totpunktes beibehalten und nicht variiert, wobei im Beispiel der Figur 8 auch der obere Totpunkt für beide Bahnkurven 106, 108 identisch ist. Bei beiden Bahnkurven 106, 108 wird ferner eine identische Frequenz gefahren, erkennbar anhand einer identischen Periodendauer 110.
Solange sich der Kolben zwischen der Position 112 und dem unteren Totpunkt befindet, ist die entsprechende Einlassöffnung 46 oder Auslassöffnung 48 freigegeben. Die Zeit zum Durchlaufen des unteren Totpunktes unter freigegebenen Öffnungen ist jedoch für beide Bahnkurven 106, 108 unterschiedlich. Diese Zeitdauer 112 für die Bahnkurve 106 ist größer als die korrespondierende Zeitdauer 114 für die Bahnkurve 108. Aus diesem Grund durchläuft der Kolben bei Einnahme der Bahnkurve 108 den unteren Totpunkt schneller, und die Öffnungen sind weniger lang geöffnet, als wenn der Kolben Bahnkurve 106 durchläuft.
Auch dadurch ist es möglich, die Menge an einströmendem Frischgas oder abgeführtem Abgas durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung zu steuern. - -
Bezugszeichen
10 Freikolbenvorrichtung
12 Freikolbenmotor
14 Gehäuse
16 Kolbenaufnahme
18 Kolbeneinrichtung
20 Kolbeneinrichtung
22 Achse
24 Kolben
26 Kolben
28 Kolbenstange
30 Kolbenstange
32 Gegenkolben
34 Gegenkolben
36 Kolbenfläche
38 Wandung
40 Brennraum
42 erste Öffnung
44 zweite Öffnung
46 Einlassöffnung
48 Auslassöffnung
50 Rückfedereinrichtung
52 Gasfeder
54 Rückfederraum
56 Rückfedereinrichtung
58 Gasfeder
60 Rückfederraum
62 Energiekopplungseinrichtung
64 Lineargenerator
66 Läuferanordnung
68 Statoranordnung
70 Energiekopplungseinrichtung
72 Lineargenerator

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme (16), in der mindestens eine Kolbeneinrichtung (18) mit einem Kolben (24) linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme (16) einen von einer Wandung (38) begrenzten Brennraum (40) umfasst oder bildet, in der mindestens eine erste Öffnung (42) und mindestens eine zweite Öffnung (44) gebildet sind, welche Öffnungen (42, 44) mindestens eine Einlassöffnung (46) für die Zufuhr von Frischgas und, in Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung (18) davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung (48) für die Abfuhr von Abgas für eine Längsspülung des Brennraumes (40) umfassen, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (18) mittels einer Steuereinrichtung (78) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (24) zumindest teilweise über die mindestens eine erste Öffnung (42) bewegbar ist und dass der untere Totpunkt des Kolbens (24) einstellbar ist, wobei die mindestens eine erste Öffnung (42) bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (24) teilweise freigegeben und teilweise versperrt ist zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen ersten Öffnung (42) und/oder dass eine Öffnungsdauer (112, 114) einstellbar ist, während der der Kolben (24) die mindestens eine erste Öffnung (42) beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Öffnung (42) bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (24) vollständig freigebbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einlassöffnung (46), längs der Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung, von jeder Auslassöffnung (48) beabstandet ist.
4. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10; 100) eine mit der Steuereinrichtung gekoppelte Energiekopplungseinrichtung (62) umfasst und dass die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (18) von der Steuereinrichtung (78) über die Energiekopplungseinrichtung (62) steuerbar ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung (62) vorzugsweise einen Lineargenerator (64) umfasst.
5. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10; 100) eine mit der Steuereinrichtung (78) gekoppelte Rückfedereinrichtung (50) für die mindestens eine Kolbeneinrichtung (18) umfasst und dass die Rückfedereinrichtung (50) von der Steuereinrichtung (78) zum Steuern der Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung (18) ansteuerbar ist.
6. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Öffnung (42) eine Einlassöffnung (46) ist und die mindestens eine zweite Öffnung (44) eine Auslassöffnung (48).
7. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbeneinrichtung (18) vorgesehen ist, wobei an der mindestens einen zweiten Öffnung (44) mindestens ein von der Steuereinrichtung (78) ansteuerbares Ventil (104) zum Freigeben oder Sperren der mindestens einen zweiten Öffnung (44) angeordnet ist.
8. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine weitere Kolbeneinrichtung (20) mit einem Kolben (26) umfasst, die in der Kolbenaufnahme (16) linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolben (24, 26) beider Kolbeneinrichtungen (18, 20) in Gegenkolbenanordnung positioniert sind und der Brennraum (40) zwischen den Kolben (24, 26) gebildet ist.
9. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (26) der weiteren Kolbeneinrichtung (20) zumindest teilweise über mindestens eine weitere Öffnung (44) der Wandung (38) bewegbar ist und dass die Menge an über die mindestens eine weitere Öffnung (44) abführbarem Abgas oder zuführbarem Frischgas über die Bewegung der weiteren Kolbeneinrichtung (20) im Betrieb von der Steuereinrichtung (78) einstellbar ist.
10. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Öffnung (44) die mindestens eine zweite Öffnung (44) ist.
11. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Öffnung mindestens eine erste Öffnung ist, wobei die mindestens eine zweite Öffnung, längs der Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtungen, zwischen den ersten Öffnungen positioniert ist.
12. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Totpunkt des Kolbens (26) der weiteren Kolbeneinrichtung (20) einstellbar ist, wobei die mindestens eine weitere Öffnung (44) bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (26) teilweise freigegeben und teilweise versperrt ist zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen weiteren Öffnung (44) und/oder das eine Öffnungsdauer (112, 114) einstellbar ist, während der der Kolben (26) die mindestens eine weitere Öffnung (44) beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.
13. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gleicher Hub beider Kolbeneinrichtungen (18, 20) einstellbar ist.
14. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung beider Kolbeneinrichtungen (18, 20) antisymmetrisch zueinander steuerbar ist.
15. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen weiteren Kolbeneinrichtung (20) eine mit der Steuereinrichtung (78) gekoppelte Rückfedereinrichtung (56) und/oder Energiekopplungseinrichtung (70) zugeordnet ist/sind, wobei die Bewegung der mindestens einen weiteren Kolbeneinrichtung (20) über die Rückfedereinrichtung (56) und/oder die Energiekopplungseinrichtung (70) steuerbar ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung (70) vorzugsweise einen Lineargenerator (72) umfasst.
16. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Öffnung (42) und die mindestens eine zweite Öffnung (44) symmetrisch zueinander an der Kolbenaufnahme (16) angeordnet und/oder ausgestaltet sind.
17. Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben linear hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme einen von einer Wandung begrenzten Brennraum umfasst oder bildet, in der mindestens eine erste Öffnung und mindestens eine zweite Öffnung gebildet sind, welche Öffnungen mindestens eine Einlassöffnung für die Zufuhr von Frischgas und, in Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung für die Abfuhr von Abgas für eine Längsspülung des Brennraumes umfassen, wobei die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung mittels einer Steuereinrichtung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben zumindest teilweise über die mindestens eine erste Öffnung bewegt wird und dass der untere Totpunkt des Kolbens eingestellt wird, wobei die mindestens eine erste Öffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben teilweise freigegeben und teilweise versperrt wird zum Einstellen einer freien Querschnittsfläche der mindestens einen ersten Öffnung und/oder dass eine Öffnungsdauer eingestellt wird, während der der Kolben die mindestens eine erste Öffnung beim Durchlaufen des unteren Totpunktes, auch unter Beibehaltung der Position des unteren Totpunktes, zumindest teilweise freigibt.
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