WO2009156257A1 - Verfahren zum betreiben einer freikolbenvorrichtung - Google Patents

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WO2009156257A1
WO2009156257A1 PCT/EP2009/056901 EP2009056901W WO2009156257A1 WO 2009156257 A1 WO2009156257 A1 WO 2009156257A1 EP 2009056901 W EP2009056901 W EP 2009056901W WO 2009156257 A1 WO2009156257 A1 WO 2009156257A1
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WO
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piston
force
movement
level
piston device
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/056901
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sven-Erik Pohl
Markus GRÄF
Original Assignee
Umc Universal Motor Corporation Gmbh
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Publication date
Application filed by Umc Universal Motor Corporation Gmbh filed Critical Umc Universal Motor Corporation Gmbh
Publication of WO2009156257A1 publication Critical patent/WO2009156257A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/007—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in only one direction is obtained by a single acting piston motor, e.g. with actuation in the other direction by spring means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/041—Linear electric generators

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a free piston device, which comprises at least one free piston engine with a linear electric drive, wherein the at least one free piston engine has a piston device which is driven in a linear movement under the action of a medium which expands in an expansion space and by a return spring, which exerts a restoring force, is moved back in a reverse direction, and wherein the piston means is coupled to the electric linear drive.
  • a method for operating a free-piston device in which the restoring force is controlled and / or regulated during operation of the free-piston device by the desired value of at least one state variable of a gas in the resilience space is specified, the actual value is detected and at Deviation from the target value is at least approximately matched to the same.
  • a free-piston internal combustion engine with electrical energy output is known. It is a non-metallic, permanent magnetic piston provided in a cylinder, which is offset by combustion pressure in linear oscillatory movements. The energy is extracted inductively by coils arranged around the cylinder.
  • the invention has for its object to provide a method of the type mentioned, by means of which can be adjusted in a free-piston device displacement and / or compression in a stable manner.
  • a period of movement of the piston means is a complete cycle of movement starting from a starting point, once passing through the top dead center and the bottom dead center of the piston movement.
  • a period of a piston movement comprises a compression phase in the expansion space for the movement from bottom dead center to the top Dead center and an expansion phase in the expansion space for the movement from top dead center to bottom dead center.
  • the starting point is always arbitrary. For example, the starting point is the bottom dead center.
  • the control strategy in the solution according to the invention is to allow the piston device to move "freely” due to the forces acting in the expansion space and due to the restoring force.
  • the force profile is given in its path-time dependence, in principle, during the piston movement of this force profile can be modified by a control intervention.
  • the linear drive sets a reaction force on the force applied to the piston device, which influences the movement of the piston accordingly.
  • the integral must correspond to the force in a period of technically usable work in a period.
  • This technically usable work can be converted by the linear drive into electrical energy.
  • This useful work can be calculated in principle, if the dissipative energy is known or a corresponding approach for the energy loss is used.
  • the path-time dependence of the piston movement is not controlled directly, that is, there is no predetermined path-time curve set for the piston movement, but the movement results as a consequence of the force profile used.
  • the force profile used is particularly adapted to the corresponding application. For example, a stroke and / or a compression is set.
  • the force profile can for example be optimized so that, for example, the emission behavior in the expansion space is positively influenced and / or the pressure in the expansion space is defined (for example, for increased efficiency) and / or adjusted so that the noise emission during the combustion process in the expansion space is minimized.
  • the inventive method can be used when the free-piston device is operated with a constant load or almost constant load and in particular a constant or almost constant electrical power output (steady state operation).
  • load changes can also be taken into account (transient operation).
  • an active control via the linear drive, there is a direct reaction to a deviation of the actual value from the desired value by changing the parameters of the linear drive.
  • the application of force to the piston device via the expansion space and the return spring device is directly adjusted via the force profile.
  • a corresponding control and regulating device can be built up hierarchically, whereby a separation between fast-running processes (signal evaluations and actuator activation) and slower-running control processes in the order of magnitude of the duration of a piston stroke can be carried out in the control.
  • the piston stroke is the distance between the top dead center and the bottom dead center of a corresponding position of the piston device relative to the expansion space.
  • the displacement is the associated space, which is limited by the top dead center and the bottom dead center.
  • the compression is the (minimum) volume between an inner side of a front-side wall of a piston receptacle, in which the piston device is arranged (cylinder wall) and the piston device, if they are in the upper Dead center is positioned.
  • the compression ratio is the ratio of this minimum volume to a maximum volume at maximum piston stroke.
  • the linear drive sets a reaction force corresponding to the force profile.
  • the flight movement of the piston device is derived from the given force profile.
  • the path-time course of the flight movement of the piston device is predetermined.
  • the nominal force specification is changed by the linear drive. It is then set in the active control not the application of force to the piston device by the expanding medium and the restoring force with a predetermined force profile.
  • the restoring force for example via a gas spring and / or one or more parameters which influence the expansion of the medium in the expansion space, set to Einregelung the piston movement.
  • the usable work of the piston device corresponds to the decoupled electrical energy, to perform a regulation to a constant setpoint stroke.
  • the expansion space is a combustion space and the piston device is driven by combustion gases that form the expanding medium.
  • parameters for the expansion space that affect the piston movement and that may be adjusted include at least one of the following parameters: one or more times of at least one intake opening, at least one intake closing, at least one exhaust opening, at least one exhaust closing, one or more injection timings Fuel or one or more times of an ignition for a combustion, injection quantity, gas mass in the expansion space.
  • Parameters of the return spring means by which the restoring force is adjustable for example, pressure, temperature, maximum volume and minimum volume in a resilience space, in particular when the return spring means is a gas spring, spring characteristic for the restoring force, tension of a spring means, gas mass in the resilience space.
  • An energetic state of the overall system is calculated from measured (in particular thermodynamic) variables in the expansion space and / or a resilience space of the return spring device and position data of the piston device.
  • a corresponding integral is calculated.
  • the useful work which has been calculated for a complete piston stroke movement, to conclude on the useful work of a next period, if it can be assumed that there is stationary operation. It can then be carried out from the determined usable work a corresponding regulation, for example, set a defined target stroke and / or a defined compression.
  • one or more models are used to determine the useful work to determine the dissipation energy.
  • the mechanical energy impressed on the system by the expansion of the expanding medium can not be completely converted into electrical energy since dissipative losses are present.
  • Such irreversible energy losses do not contribute to the technically usable work and must be deducted accordingly from the integral over the force profile when determining the usable technical work.
  • the technically usable work can then be calculated.
  • a stroke of the movement of the piston device is set in a certain stroke range and / or an outcoupling force of the electric linear drive is set in a certain force range and / or a defined compression is set.
  • a minimum force is exceeded or a maximum force is not exceeded.
  • it can also be adjusted to a constant output force.
  • control objective is to minimize the changes in the stroke of movement of the piston device between a bottom dead center and a top dead center or to minimize the change in compression.
  • a force-displacement dependency of the force is defined and / or varied in a defined manner, the specific dependence on the specific control strategy being dependent.
  • a force profile is also modified within a period in order, for example, to be able to adapt to load changes or to optimize a specific control strategy.
  • the force profile can always be modified time-dependent.
  • the integral over the period is estimated, and optionally, the force profile is modified. From the data determined up to a certain point in time (in particular position of the piston device and thermodynamic variables), the integral over the period can be estimated. It can then be modified to optimize the control strategy, if necessary, the force profile to achieve the desired effects. For example, a force profile with a quantitatively or qualitatively different force-distance dependency can be used in order to allow an adaptation to the actual conditions. For example, it is possible to modify the force profile such that a compression lies in a defined value range. During a period can be intervened corrective. For example, in a compression phase, the compression is set to a desired value.
  • control intervention takes place via adaptation of the force profile and not via direct positioning of the piston device at a certain time on an actual position. If, for example, measurements prove that the compression is too low, the amount of force is reduced, so that less energy can be coupled out via the linear drive. As a result, more compaction energy is available, which increases the compression and compression ratio.
  • a compression is set and / or varied by means of the resilience space.
  • a variable characteristic for example a gas spring
  • the amount of energy stored in the resilience space can be influenced and thus the energy available for the compression phase of the piston device can be determined.
  • the stored for example in a gas spring energy which is used for the provision of the piston device, results as the sum of (still to be coupled out) technically usable work, the compression energy for an expansion space and dissipation losses.
  • the compression energy from the expansion space is the integral of the compressive force over the path (compression energy).
  • compression energy the upper dead center in the expansion space is given; if less energy is stored in the return spring means, then only a small compression energy is available and thereby reduces the compression or the compression ratio.
  • control has at least two hierarchically structured levels, in a first level on a time scale smaller than the duration of a piston stroke on the free piston engine arranged sensors deliver signals and actuators drive the free piston engine, in a second level, which is hierarchically superimposed on the first level, a control calculation for the piston movement is performed on the basis of the calculated usable work of one or more previous complete strokes of the piston device, wherein between the first level and the second level, a data exchange takes place.
  • This allows a separation to be made between operations that need immediate attention or immediate evaluation and events that take place on a slower time scale, the time scale of a full piston stroke.
  • a control calculation for a subsequent piston stroke based on the determination of useful work for a current and / or previous piston stroke.
  • a parameter setting can be made in a simple manner from the calculated usable energy, if necessary, for the next or a further piston stroke.
  • a third level which is hierarchically superior to the second level, in which a monitoring of the piston movement is performed.
  • a monitoring of the piston movement is performed.
  • a synchronization of the movement of several piston devices can take place or monitoring and / or control of load changes can be carried out.
  • a data exchange then takes place between the third level and the second level.
  • Figure 1 is a schematic representation of a free piston device with a free-piston engine with electric linear drive
  • Figure 2 is a schematic representation of a hierarchically structured control / regulating device
  • Figure 3 is a schematic representation of a typical plot of velocity as a function of time for the "free" movement of a piston device, wherein the position of a top dead center (OT ex) and bottom dead center (UTe x) is shown;
  • FIGS. 4 (a) to (e) show various possibilities for the course of an output force in dimensionless coordinates
  • FIGS. 5 (a) to (c) show further possibilities for the course of the decoupling force in dimensionless coordinates with different energy distribution f E with respect to an expansion phase and a compression phase;
  • FIG. 6 schematically shows a detail of a path-time profile of the piston device with excellent "event points"
  • FIGS. 7 (a) and (b) show examples of different force profiles
  • FIG. 7 (c) schematically shows the time-dependent temperature profile in an expansion space in the force profiles according to FIG.
  • FIGS. 8 (a) and (b) show different courses of force
  • FIG. 8 (c) shows a pressure-volume diagram in each case for the force courses according to FIGS. 8 (a) and (b);
  • FIGS. 9 (a) and (b) show different courses of force
  • FIG. 9 (c) shows a pressure-volume diagram for the force profiles according to FIGS. 9 (a) and (b) (schematically).
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a free-piston device, which is shown in FIG. 1 and designated therein by 10, comprises a free piston engine 12 with electric linear drive 14. It is basically the case that the free piston device 10 can have a plurality of free piston engines with respective electric linear drive.
  • the free piston engine 12 has a piston receptacle 16, which is cylindrical, for example, with a circular cross section.
  • the piston receptacle 16 is bounded by piston walls 18.
  • a piston device 20 is movable in a linear direction 22. This linear direction is preferably parallel to an axis 24 of the piston receptacle 16.
  • the piston device 20 comprises a first piston 26, a second piston 28 and a connecting device 30, which connects the first piston 26 and the second piston 28 with each other.
  • the first piston 26 has a first piston surface 32, which faces a first end wall 34 of the piston housing 16. Between the first piston surface 32 and the first end wall 34, an expansion space 36 is formed in the piston seat 16.
  • An expanding medium can exert a force on the first piston 26 in the expansion space 36 and thereby drive the piston device 20 in the linear direction 22 in a movement.
  • the expansion space 36 has a variable volume which is dependent on the position of the first piston 26 in relation to the first end wall 34.
  • the expansion space 36 is a combustion space in which fuel with oxidant may burn. The combustion gases then drive the piston device 20.
  • the second piston 28 has a second piston surface 38, which faces a second end wall 40 of the piston receptacle 16.
  • the first end wall 34 and the second end wall 40 limit the piston receptacle 16 at the front.
  • the first piston surface 32 and the second piston surface 38 are facing away from each other.
  • a resilience space 42 is formed between the second piston surface 38 and the second end wall 40.
  • a refuge- device 44 is received. This ensures that the piston device 20 is moved back by action on the second piston 28 in the direction of the first end wall 34.
  • the return spring device 44 is a compressible medium and in particular a gas.
  • the return spring device 44 is then designed as a gas spring. (The return spring device 44 may in principle also have one or more mechanical springs.)
  • the piston device 20 Due to the expanding medium, which acts forcefully on the first piston 26, the piston device 20 is moved in the direction of the second end wall 40. In the resilience space 42, which has a variable volume, the return spring 44 is compressed. It then exerts a restoring force on the piston device 20, which then moves it in the opposite direction to the first end wall 34.
  • the first piston 26 and the second piston 28 are sealed at the edge relative to the piston receptacle 16. Such a seal is indicated in connection with the second piston 28 by the reference numeral 46.
  • the expansion space 36 and the resilience space 42 are fluid-tightly separated from each other.
  • a clearance between the first piston 26 and the second piston 28 is fluid-tightly separated from the expansion space 36 and the resilience space 42.
  • the first piston 26 and the second piston 28 are spaced from each other with intermediate connection means 30. This is advantageously designed so that with guaranteed structural rigidity, the mass of the moving piston means 20 is minimized.
  • the electric linear drive 14 comprises a rotor device 48 and a stator device 50.
  • the rotor device 48 is arranged between the first piston 26 and the second piston 28 on the connection device 30. It comprises a plurality of, for example, annular permanent magnets 52a, 52b, etc., which are arranged with alternating polarity. With the linear movement of the piston device 20, the rotor device 48 moves linearly within the piston seat 16 outside of the expansion space 36 and outside the resilience space 42nd
  • the stator device 50 is arranged stationarily outside the piston receptacle. It comprises a plurality of windings 54 which surround the piston seat 16 in the region in which the rotor device 48 is movable.
  • the movement of the rotor device 48 induces a voltage on the stator device 50 which can be tapped off. There is a (partial) conversion of mechanical energy into electrical energy. The electrical energy can be decoupled and used.
  • the piston stroke can be set variably via the electric linear drive 14, so that the dead points of the movement of the piston device 20 can be defined.
  • a control / regulation device 56 is provided, by means of which actuators of the free-piston device 10 can be activated and sensor signals of the free-piston device 10 can be evaluated. Furthermore, the control / regulation device 56 prescribes a control strategy and control strategy which is realized in terms of hardware and / or software.
  • At least one inlet valve 58 for fuel and / or a fuel / oxidizer mixture is arranged on the first end wall 34 and / or an inlet valve for oxidizer (in particular air) is provided. Further, (at least) an outlet valve 60 is arranged on the first end wall 34, via which can be dissipated medium and in particular combustion exhaust gases from the expansion space 34.
  • An injection device (61) for injecting fuel may also be provided.
  • an ignition device 62 may be provided (shown in exaggerated form in FIG. 1 for illustrative reasons) in order to be able to ignite a fuel-oxidizer mixture in the expansion space 36, which is then a combustion chamber.
  • the expansion space 36 is associated with a sensor device 64, via which one or more parameters can be measured. For example, the pressure in the expansion space 36 and / or the temperature can be measured.
  • the controller 56 controls the intake valve or valves 58, the exhaust valve 60, the ignition device 62, and optionally an injector.
  • one or more defined points in time can open and close the intake valve or valves 58 and / or the exhaust valves 60 can be opened and closed.
  • fuel can be injected at a defined time and a fuel-oxidizer mixture can be ignited.
  • Signals of the sensor device 64 are transmitted to the control / regulation device 56.
  • the control / regulation device 56 is further connected to the electrical
  • Linear drive 14 is coupled to, for example, if necessary, to be able to influence the piston movement of the piston device 20 via the electric linear drive 14.
  • a sensor device 66 is provided, which provides corresponding sensor signals of the control / regulation device 56, via which the instantaneous position of the piston device 20 in relation to the piston seat 16 is measurable.
  • the return spring space 42 if this is a gas spring chamber, associated with a pressure accumulator 68.
  • the pressure accumulator 68 is connected to the resilience space 42 via a control valve 70, which is controllable by the control / regulation device 56.
  • the pressure in the resilience space 42 for example in a bottom dead center (UT 1 -) of the piston device 20, in which this is closest to the first end wall 34 with the first piston 26, adjustable. It can be adjusted by the properties of the gas spring. In particular, a spring constant or spring characteristic can be set.
  • the pressure accumulator 68 can be filled with the corresponding return spring medium or it can be emptied. In particular, the pressure in the pressure accumulator 68 can be adjusted outside the piston receptacle 16. Accordingly, for example, a controllable three-two-way valve 72 is provided. One way is a charge path for the accumulator 68 and a second way is a vent path. The three-way valve 72 is coupled to the controller 56. A pump 73 is connected to an input of the three-way valve 72.
  • the resilience space 42 is assigned one or more sensors 74.
  • a pressure sensor is provided.
  • a temperature sensor may also be provided. These provide their measured values to the controller 56.
  • an arrow 76 schematically indicates that the control / regulation device 56 can also monitor, control and regulate further free-piston engines.
  • a further free-piston engine may be provided in order to obtain a mass balance with a corresponding arrangement of the piston device.
  • the top dead center is defined by the fact that the first piston 26 has the smallest distance to the first end wall 34.
  • these dead centers UTex and OTex are shown schematically below.
  • the deflection x refers to the distance from the first end wall 34 in the linear direction 22.
  • a piston stroke is the distance between the top dead center and the bottom dead center. This is denoted by S.
  • the controller 56 hierarchically performs control operations and control operations. It is divided into a first level 78, a second level 80 and a third level 82.
  • the third level 82 is superior to the second level 80, and the second level 80 is superior to the first level 78.
  • control actions and control operations take place which are on a time scale which are below the duration of a piston stroke.
  • control processes occur, for example, in an expansion space control device 84, which relate to the expansion of medium in the expansion space 36 and in particular to combustion processes.
  • these control operations include the control of the intake valve (s) 58, the exhaust valve (s) 60 and the ignition device 62, and optionally the control of an injector.
  • the expansion space controller 84 receives sensor signals from the sensor device 64 and uses these control processes and control processes.
  • the first plane 78 comprises a linear drive control device 86, which controls or controls the linear drive 14. By appropriate current application of the stator 50, this is possible.
  • the linear drive control device 86 receives signals from the sensor device 66.
  • the first level 78 comprises a springback space control device 88.
  • the control valve 70 can be controlled or regulated via these.
  • the return spring control device 88 includes signals from the sensor 74.
  • the free-piston engine 12 is controlled directly with electric linear drive 14. Actuators are actuated (indicated in FIG. 2 by an arrowhead pointing to them) and sensor signals are received (indicated in FIG. 2 by the arrowhead pointing away from them).
  • a control calculation takes place on a time scale which corresponds to the duration of one or more piston strokes.
  • the third level 82 is superior to the second level 80.
  • monitoring processes are performed and, for example, when multiple piston devices are present, synchronization operations may be performed.
  • Levels 78, 80 and 82 operate on different time scales. As a result, control processes can be structured hierarchically.
  • the first level 78 the physical distance of the free-piston engine 12 is directly influenced by electric linear drive 14 or there is a direct evaluation of sensor signals.
  • the second level 80 as will be described in more detail below, an event control and, in particular, regulation of the movement of the piston device 20 from one (complete) piston clearance to the next is performed.
  • the hierarchical structure separates the different time scales for control processes and control processes. This allows the control operations to be optimized.
  • the movement of the piston device 20 is controlled so that the electric linear drive 14 is not used regulating, that is no path-time control for the movement of the piston device 20 by the electric linear actuator 14 takes place.
  • the electric linear drive 14 is not used regulating, that is no path-time control for the movement of the piston device 20 by the electric linear actuator 14 takes place.
  • a "free" oscillation of the piston device 20 is allowed, which is predetermined solely by the expansion of the medium in the expansion space 36 and the restoring force in the resilience space 42 as well as by dissipative losses during the movement.
  • the usable work by the movement of the piston device 20 then corresponds to Essentially the decoupled from the electric linear device 14 electrical energy.
  • FIG. 3 schematically shows a course of movement indicated in the form of a velocity-time diagram for a complete movement of the first piston 26 from top dead center to bottom dead center to top dead center when the top dead center is selected as the starting point.
  • this course of motion is not exactly sinusoidal.
  • the expansion accelerates the piston device 20 more than the restoring force in the rebound space 42 the piston device 20 as it moves from bottom dead center to top dead center (relative to the first piston 26).
  • the time duration of a first phase of the piston movement expansion phase
  • compression phase is shorter than the time duration of a second phase of the piston movement (compression phase or springback phase).
  • an adjustment process to a stationary operation and the stationary operation itself be carried out so that the useful work of the piston device 20 corresponds to the decoupled by the electric linear drive 14 energy. It is basically possible that an intervention, for example, to specify starting conditions on the control / regulating device 56 is possible, in which the electric linear actuator 14 is used actively and the piston device 20 is brought into a specific position (by acting on the stator 50) , The usable work W N per piston play is
  • F L is the acting mechanical force, which corresponds to the decoupling force.
  • the electric linear drive 14 is operated as a purely electric generator, ie the electric linear drive 14 is not regulated (purely passive) and the piston device 20 is left to its motion caused by the expansion of the medium in the expansion space 36 and by the return spring force, then is the usable work W N equal to the decoupled via the electric linear drive 14 energy W L.
  • the usable work per piston stroke can be calculated.
  • a regulatory strategy can be implemented via these specifications.
  • a control strategy may be such that the piston stroke S is in a certain range of values and / or the force F L is in a certain range of values and / or the compression is in a certain range of values and / or the compression ratio is in a certain range of values.
  • the control strategy is such that the piston stroke is fixed, ie the controlled variable is a fixed piston stroke S; There is a specification of the piston stroke S at a free movement of the piston device 20th
  • FIGS. 4 (a) to 4 (e) show possible prescribable force profiles, which are related to a dimensionless coordinate ⁇ (t), which is defined as
  • x (tu ⁇ ) the position of the first piston 26 at top dead center OT ex and x (t) is the current piston position.
  • the dimensionless force ⁇ (t) is defined as
  • the force F L / max is defined as
  • a control can be carried out with the control strategy of enabling a free movement of the piston device 20.
  • the instantaneous desired force which the electric linear drive 14 is to decouple from the system is then selected according to a strategy, for example to obtain a constant setpoint stroke S.
  • FIG. 5 (a) again shows the force curve according to FIG. 4 (a). It can be moved ( Figure 5 (b) and 5 (c)). This corresponds to a different energy distribution to the expansion phase (f E > 0.5) or to the compression phase (f E ⁇ 0.5).
  • the course of the decoupling force can be chosen so that the selected control strategy can be carried out.
  • the intervention options in the control are in the corresponding control of the actuators of the free-piston engine 12 with electric linear drive 14, as described above in connection with the first level 78 of the hierarchical control and regulation.
  • a time of closing 90 of exhaust valve 60 and / or closing 92 of intake valve 58 may be adjusted accordingly.
  • an injection start 94 can be set.
  • an ignition point 96 of the ignition device 62 are set.
  • a combustion end 98 can be influenced.
  • the opening 100 of the exhaust valve 60 and opening 102 of the intake valve 58 can be adjusted.
  • the conditions in the resilience space 42 can be influenced, for example, by adjusting the pressure.
  • parameters of the return spring device 44 can be influenced and adjusted and, if appropriate, also set in dependence on time.
  • the return spring means 44 may be stiffened or softened if necessary.
  • the compression can be adjusted or varied by adjusting the pressure at bottom dead center UT r of the resilience space 42.
  • a variable characteristic of the return spring device 44 influences the amount of energy stored and thus defines the energy available for a compression phase.
  • This energy available for the compression phase is composed of the energy stored in the return spring device 44 for the pending return of the piston device 20, the usable work still to be coupled out in the compression phase, the compression energy for the expansion space 36 and dissipative losses. It allows you to set the top dead center OT ex in the expansion space 36. If less energy is stored in the return spring device 44, then only a small compression energy is available and thus the compression is reduced.
  • the application of force to the piston device 20 by the expanding medium in the expansion space 36 and by the return spring force including dissipative losses determines the course of movement of the piston device 20.
  • the electric linear drive sets a reaction force corresponding to the force profile and thus influences the trajectory of the piston device 20.
  • the restoring force and / or one or more parameters that determine the application of force to the first piston 26 are adjusted accordingly.
  • the regulation is a "thermodynamic” regulation.
  • Corresponding thermodynamic variables in the expansion space 36 and / or resilience space 42 are set in order to obtain the "free" course of movement of the piston device 20.
  • FIGS. 7 (a) and (b) schematically show different force profiles 104 and 106 and dimensionless coordinates.
  • the force profile 104 includes an expansion phase 108a and a compression phase 108b. The area for the expansion phase 108a and for the compression phase 108b is the same.
  • the force profile 106 includes an expansion phase 110a and a compression phase 110b. The area of the expansion phase 110a is larger than the area of the compression phase 110b.
  • the force profile 106 is selected to slow the piston movement in the expansion phase 110a when the piston assembly 20 is driven by combustion processes in the expansion process 36.
  • FIG. 7 (c) schematically shows the cooling behavior of gases (cylinder gases) associated with the force profiles 104 and 106 in the expansion space 36. In the force profile 106, the cooling is slowed down, since the piston movement is slowed down during the expansion by the force profile 106.
  • a corresponding cooling behavior can be set via the force profile used.
  • the emission behavior can be positively influenced (for example, certain cooling curves can be set, with the cooling curves in turn determining particle formation).
  • FIGS. 8 (a) and 8 (b) Further force profiles are shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), wherein the force profile according to FIG. 8 (a) corresponds to the force profile 104 according to FIG. 7 (a).
  • the force profile 112 according to FIG. 8 (b) is chosen such that the piston speed is greatly slowed in the region at and before the bottom dead center. Accordingly, the force profile 112 has a drop 114.
  • FIG. 8 (c) shows associated p-V diagrams (dependence of a pressure in the expansion space 36 [cylinder pressure] as a function of the volume).
  • FIGS. 9 (a) and (b) show further force profiles, the force profile according to FIG. 9 (a) corresponding to the force profile 104.
  • the force profile 116 according to FIG. 9 (b) is selected such that the noise emission during a combustion process is minimized.
  • the noise emission is essentially determined by the pressure increase in the expansion space 36.
  • the force profile 116 is selected so that the piston device 20 is accelerated more strongly after passing the top dead center. It should be avoided strong pressure gradients.
  • Corresponding pV diagrams are shown in Figure 9 (c). It can be seen that the cylinder pressure in the force profile 116 leads to lower pressure gradients and thus to lower noise emission.
  • the secondary condition is that the area over a force profile over a period of movement of the piston means of the usable energy corresponds, which is then coupled out via the electric linear drive as electrical energy.
  • the control / regulation device 56 has, for example, a database in which predetermined force profiles are stored and from which, depending on the application, the appropriate force profile is read out.
  • the useful work during a period of piston movement can be estimated from the useful work of one or more previous piston movement periods to perform a corresponding control. It can also be provided that, within a period of the piston movement, the useful work for this period is estimated, in which the data determined from the beginning to the period up to a certain point in time are used to calculate the useful work for the whole Estimate period. Optionally, then the force profile is modified to obtain an optimized control according to the selected control strategy.
  • the stroke when operating a free-piston engine at full load, the stroke (displacement) is greater than at partial load. At partial load, the displacement is reduced.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bereitgestellt, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrich- tung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist.
Entsprechende Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der WO 03/091556 Al und der EP 1 398 863 Al bekannt.
Aus der WO 2007/147789 Al ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welchem die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zustandsgröße eines Gases im Rückfederraum vorgegeben wird, der Istwert erfasst wird und bei Abweichung vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
Steuerungs- und Regelungsverfahren für Freikolbenvorrichtungen sind in dem Artikel "Free-Piston Diesel Engine Timing and Control - Towards Electronic Cam- and Crankshaft" von T. A. Johansen et al., in IEEE Trans. Control Systems Technology, 10(188-190), 2002, und "Dynamics and Control of a Free- Piston Diesel Engine" von T. A. Johansen et al., in Proc. American Control Conference, Arlington, VA., 2001, beschrieben.
Aus der DE 43 44 915 Al ist ein Linearverbrennungsmotorgenerator bekannt, bei dem zwei gegenüberliegende, nach Zweitakt-Prinzip arbeitende Kolben einen Läufer mit einem oder mehreren spulenförmigen Magnetpolpaaren zu Hin- und Her-Linearbewegungen bringen und dadurch am zylinderförmigen Ständer in den Wicklungen elektrischen Strom erzeugen.
Aus der DE 198 13 992 Al ist eine Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskopplung bekannt. Es ist ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder vorgesehen, welcher durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird. Die Energieauskopplung erfolgt auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum an- geordnete Spulen.
In dem Artikel "Vergleich von Gasfedervarianten mit variabler Kennlinie für einen Freikolbenmotor" von S. -E. Pohl und C. Ferrari, Forsch. Ingenieurwesen (2007) 71 : Seiten 181 bis 188, sind Gasfedervarianten beschrieben, die auf- grund ihrer einstellbaren Federkennlinie für den Einsatz in einem Freikolbenmotor geeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich bei einer Freikolbenvorrich- tung Hubraum und/oder Verdichtung auf stabile Weise einstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewe- gung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.
Eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung ist ein kompletter Zyklus einer Bewegung beginnend von einem Startpunkt, wobei einmal der obere Totpunkt und der untere Totpunkt der Kolbenbewegung durchlaufen wird. Eine Periode einer Kolbenbewegung umfasst insbesondere eine Kompressionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Totpunkt und eine Expansionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt. Der Startpunkt ist dabei grundsätzlich beliebig. Beispielsweise ist der Startpunkt der untere Totpunkt.
Die Regelungsstrategie bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, die Kolbeneinrichtung sich aufgrund der wirkenden Kräfte im Expansionsraum und aufgrund der Rückstellkraft "frei" bewegen zu lassen. Das Kraftprofil wird dabei in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben, wobei grundsätzlich während der Kolbenbewegung dieses Kraftprofil durch einen Regelungseingriff modifiziert werden kann. Der Lineartrieb stellt auf die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung eine Reaktionskraft ein, welche entsprechend die Bewegung des Kolbens beeinflusst.
Als Nebenbedingung bei der Vorgabe des Kraftprofils muss das Integral über die Kraft in einer Periode der technisch nutzbaren Arbeit in einer Periode entsprechen. Diese technisch nutzbare Arbeit kann vom Lineartrieb in elektrische Energie gewandelt werden. Diese nutzbare Arbeit kann grundsätzlich berechnet werden, wenn die dissipative Energie bekannt ist beziehungsweise ein entsprechender Ansatz für die Verlustenergie verwendet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Weg-Zeit-Abhängigkeit der Kolbenbewegung nicht direkt geregelt, das heißt es wird kein vorgegebener Weg- Zeit-Verlauf für die Kolbenbewegung eingestellt, sondern der Bewegungsverlauf ergibt sich als Konsequenz aus dem verwendeten Kraftprofil.
Das verwendete Kraftprofil ist insbesondere an die entsprechende Anwendung angepasst. Beispielsweise wird ein Hub und/oder eine Verdichtung eingestellt. Das Kraftprofil kann beispielsweise dahingehend optimiert werden, dass beispielsweise das Emissionsverhalten im Expansionsraum positiv beeinflusst wird und/oder der Druck im Expansionsraum definiert (beispielsweise für gesteigerte Effizienz) eingestellt wird und/oder so eingestellt wird, dass die Geräuschemission beim Verbrennungsprozess im Expansionsraum minimiert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich einsetzen, wenn die Freikolbenvorrichtung mit gleichbleibender Last oder nahezu gleichbleibender Last und insbesondere gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender elektrischer Leistungsabgabe betrieben wird (stationärer Betrieb). Grundsätzlich lassen sich auch Lastwechselvorgänge berücksichtigen (instationärer Betrieb). Es ist dabei grundsätzlich möglich, auf eine aktive Regelung umzuschalten, bei welchem insbesondere der Weg-Zeit-Verlauf der Kolbenbewegung über den Lineartrieb regelnd vorgegeben wird. Bei einer solchen aktiven Regelung über den Lineartrieb erfolgt eine direkte Reaktion auf eine Abweichung des Ist- Werts von dem Soll-Wert durch Veränderung der Parameter des Lineartriebs. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dagegen über das Kraftprofil die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung über den Expansionsraum und die Rückfedereinrichtung direkt eingestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine entsprechende Steuerungs- und Regelungseinrichtung hierarchisch aufbauen, wobei sich in der Regelung eine Trennung zwischen schnell ablaufenden Vorgängen (Signalauswertungen und Aktorenansteuerung) und langsamer ablaufenden Regelungsprozessen in der Größenordnung der Zeitdauer eines Kolbenhubs durchführen lassen.
Der Kolbenhub ist dabei der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt einer entsprechenden Position der Kolbeneinrichtung bezogen auf den Expansionsraum. Der Hubraum ist der zugehörige Raum, welcher begrenzt ist durch den oberen Totpunkt und den unteren Totpunkt. Die Verdichtung ist das (minimale) Volumen zwischen einer Innenseite einer stirn- seitigen Wand einer Kolbenaufnahme, in welcher die Kolbeneinrichtung angeordnet ist (Zylinderwand) und der Kolbeneinrichtung, wenn diese im oberen Totpunkt positioniert ist. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis von diesem minimalen Volumen zu einem maximalen Volumen bei maximalem Kolbenhub.
Günstig ist es, wenn bei der Vorgabe des Kraftprofils (des Lineartriebs) der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung. Es erfolgt dadurch eine "thermodynamische" Regelung, bei welcher der elektrische Lineartrieb nicht regelnd eingesetzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Lösung stellt der Lineartrieb eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein. Die Flugbewegung der Kolbeneinrichtung ergibt sich abgeleitet aus dem vorgegebenen Kraftprofil. Bei einer aktiven Regelung des Lineartriebs wird dagegen der Weg-Zeit-Verlauf der Flugbewegung der KoI- beneinrichtung vorgegeben. Als direkte Reaktion auf eine Abweichung eines Ist-Werts von einem Soll-Wert an einem bestimmten Zeitpunkt wird die Sollkraftvorgabe durch den Lineartrieb geändert. Es wird dann bei der aktiven Regelung nicht die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft mit vorgegebenem Kraftprofil ein- gestellt.
Günstigerweise werden zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft beispielsweise über eine Gasfeder und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt. Dadurch kann man beispielsweise unter der Bedingung, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung der ausgekoppelten elektrischen Energie entspricht, eine Einregelung auf einen konstanten Sollhub durchführen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum ein Verbrennungsraum und die Kolbeneinrichtung wird durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben. Insbesondere umfassen Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden können, mindestens einen der folgenden Parameter: ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, mindestens eines Einlassschließens, mindestens eines Auslassöffnens, mindestens eines Auslassschließens, ein oder mehrere Zeitpunkte einer Einspritzung von Brennstoff oder ein oder mehrere Zeitpunkte einer Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.
Parameter der Rückfedereinrichtung, durch welche die Rückstellkraft einstellbar ist, sind beispielsweise Druck, Temperatur, Maximalvolumen und Minimalvolumen in einem Rückfederraum, insbesondere wenn die Rückfedereinrichtung eine Gasfeder ist, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Verspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.
Ein energetischer Zustand des Gesamtsystems wird aus gemessenen (insbesondere thermodynamischen) Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbenein- richtung berechnet. Insbesondere wird ein entsprechendes Integral berechnet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es grundsätzlich möglich, dass die nutzbare Arbeit, welche für eine vollständige Kolbenhubbewegung berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer nächsten Periode zu schließen, wenn davon ausgegangen werden kann, dass ein stationärer Betrieb vorliegt. Es kann dann aus der ermittelten nutzbaren Arbeit eine entsprechende Regelung durchgeführt werden, um beispielsweise einen definierten Sollhub und/oder eine definierte Verdichtung einzustellen.
Beispielsweise werden zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung der Dissipationsenergie verwendet. Die dem System durch die Expansion des expandierenden Mediums eingeprägte mechanische Energie kann nicht vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden, da dissipative Verluste vorliegen. Solche irreversiblen Verlustenergien tragen nicht zur technisch nutzbaren Arbeit bei und müssen entsprechend bei der Bestimmung der technischen nutzbaren Arbeit aus dem Integral über das Kraftprofil abgezogen werden. Durch Verwendung eines oder mehrerer entspre- chender Modelle lässt sich dann die technisch nutzbare Arbeit berechnen.
Es kann vorgesehen sein, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen (innerhalb einer Periode) geschlossen wird. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Last oder wenig veränderlicher Last die Regelung der Kolbenbewegung auf einfache Weise durchführen. Insbesondere lässt sich dadurch auf einfache Weise das Kraftprofil einstellen.
Beispielsweise wird ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem be- stimmten Hubbereich eingestellt und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich eingestellt und/oder es wird eine definierte Verdichtung eingestellt. Durch entsprechende Vorgabe des Kraftverlaufs ist dies auf einfache Weise möglich.
Beispielsweise kann bei einer Einregelung auf einen bestimmten Kraftbereich erreicht werden, dass eine Mindestkraft überschritten wird bzw. eine Höchstkraft nicht überschritten wird. Es kann beispielsweise auch auf eine konstante Auskopplungskraft eingeregelt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt. Das Regelungsziel ist es, die Änderungen im Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt zu minimieren beziehungsweise die Verdichtungsänderung zu minimieren. Insbesondere wird eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben und/oder variiert, wobei die konkrete Abhängigkeit von der speziellen Regelungsstrategie abhängt.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Kraftprofil auch innerhalb einer Periode modifiziert wird, um beispielsweise eine Anpassung an Laständerungen zu ermöglichen oder um eine bestimmte Regelungsstrategie zu optimieren. Das Kraftprofil kann grundsätzlich zeitabhängig modifiziert werden.
Bei einer Ausführungsform wird während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über der Periode abgeschätzt und gegebenenfalls wird das Kraftprofil modifiziert. Aus den bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten (insbesondere Position der Kolbeneinrichtung und thermodynamischen Größen) kann das Integral über die Periode abgeschätzt werden. Es kann dann zur Optimierung der Regelungsstrategie, sofern nötig, das Kraftprofil modifiziert werden, um die erwünschten Effekte zu erzielen. Es kann beispielsweise ein Kraftprofil mit einer quantitativ oder qualitativ anderen Kraft-Weg-Abhängigkeit verwendet werden, um eine Anpassung an die tatsächlich vorliegenden Verhältnisse zu ermöglichen. Beispielsweise ist es möglich, das Kraftprofil so zu modifizieren, dass eine Verdichtung in einem definierten Wertbereich liegt. Während einer Periode kann korrigierend eingegriffen werden. Beispielsweise wird in einer Kompressionsphase die Verdichtung auf einen Soll-Wert eingestellt. Dies kann erforderlich sein, beispielsweise wenn ein Verbrennungsvorgang grundsätzlich instationär ist und nur eingeschränkt deterministisch beschrieben werden kann, sodass eine exakte Vorausberechnung nicht möglich ist. Durch einen korrigierenden Eingriff ist eine exakte Vorausberechen- barkeit nicht notwendig. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt der Regeleingriff über Anpassung des Kraftprofils und nicht über direkte Positionierung der Kolbeneinrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einer Ist-Position. Sollte sich beispielsweise durch entsprechende Messungen abzeichnen, dass die Verdichtung zu niedrig wird, so wird der Betrag der Kraft erniedrigt, sodass weniger Energie über den Lineartrieb ausgekoppelt werden kann. Dadurch steht mehr Verdichtungsenergie zur Verfügung, sodass sich die Verdichtung und das Verdichtungsverhältnis erhöhen.
Günstig ist es, wenn eine Verdichtung mittels des Rückfederraums eingestellt und/oder variiert wird. Durch eine variable Kennlinie beispielsweise einer Gasfeder kann die in dem Rückfederraum gespeicherte Energiemenge beein- flusst und damit die für die Kompressionsphase der Kolbeneinrichtung zur Verfügung stehende Energie festgelegt werden. Die beispielsweise in einer Gasfeder gespeicherte Energie, welche für die Rückstellung der Kolbeneinrichtung verwendet wird, ergibt sich als Summe der (noch auszukoppelnden) technisch nutzbaren Arbeit, der Verdichtungsenergie für einen Expansionsraum und aus Dissipationsverlusten. Die Verdichtungsenergie vom Expansionsraum ist das Integral der Kompressionskraft über den Weg (Kompres- sionsenergie). Damit ist auch der obere Totpunkt im Expansionsraum vorgegeben; wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und dadurch verringert sich die Verdichtung beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis.
Es ist vorteilhaft, wenn umschaltbar ist von einer oder auf eine Betriebsweise, in der der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung aktiv und insbesondere in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit einstellt. Dadurch ist eine Umschaltung zwischen "aktivem" (regelnden) und "passivem" (nicht- regelnden)Betrieb des elektrischen Lineartriebs möglich. Dadurch ergeben sich erweiterte Nutzungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann bei der Umschaltung auf einen aktiven Betrieb des elektrischen Lineartriebs, bei dem dieser die Kolbenbewegung aktiv beeinflusst, auf einfache und schnelle Weise eine Anpassung an eine Laständerung erfolgen. Insbesondere beeinflusst der elektrische Lineartrieb aktiv den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Regelung mindestens zwei hierarchisch gegliederte Ebenen aufweist, wobei in einer ersten Ebene auf einer Zeitskala kleiner als die Zeitdauer eines Kolbenhubs am Freikolbenmotor angeordnete Sensoren Signale abgeben und Aktoren den Freikolbenmotor ansteuern, in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch über- geordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit eines oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt. Dadurch lässt sich eine Trennung durchführen zwischen Vorgängen, auf die unmittelbar reagiert werden muss bzw. die unmittelbar ausgewertet werden müssen und Ereignissen, die auf einer langsameren Zeitskala, nämlich der Zeitskala eines vollständigen Kolbenhubs stattfinden.
Insbesondere erfolgt in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub. Dadurch kann auf einfache Weise aus der berechneten nutzbaren Energie eine Parametereinstellung, sofern notwendig, für den nächsten oder einen weiterfolgenden Kolbenhub erfolgen.
Es ist ferner günstig, wenn eine dritte Ebene vorgesehen ist, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird. In der dritten Ebene kann beispielsweise auch eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgen oder es kann eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt werden. Insbesondere erfolgt dann zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Freikolbenvorrichtung mit einem Freikolbenmotor mit elektrischem Lineartrieb;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer hierarchisch gegliederten Steuerungs-/Regelungseinrichtung;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs der Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für die "freie" Bewegung einer Kolbeneinrichtung, wobei die Lage eines oberen Totpunkts (OTex) und unteren Totpunkts (UTex) dargestellt ist;
Figuren 4(a) bis (e) verschiedene Möglichkeiten für den Verlauf einer Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten;
Figuren 5(a) bis (c) weitere Möglichkeiten für den Verlauf der Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten bei unterschiedlicher Energieverteilung fE bezüglich einer Expansionsphase und einer Kompressionsphase;
Figur 6 schematisch einen Ausschnitt aus einem Weg-Zeit-Verlauf der Kolbeneinrichtung mit ausgezeichneten "Ereignispunkten"; Figur 7(a) und (b) Beispiele für unterschiedliche Kraftverläufe;
Figur 7(c) schematisch dem zeitabhängigen Temperaturverlauf in einem Expansionsraum bei den Kraftverläufen gemäß
Figur 7(a) und (b);
Figur 8(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe;
Figur 8(c) ein Druck-Volumen-Diagramm jeweils für die Kraftverläufe gemäß Figuren 8(a) und (b);
Figur 9(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe;
Figur 9(c) ein Druck-Volumen-Diagramm für die Kraftverläufe gemäß Figur 9(a) und (b) (schematisch).
Ein Ausführungsbeispiel einer Freikolbenvorrichtung, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Freikolbenmotor 12 mit elek- trischem Lineartrieb 14. Es ist grundsätzlich so, dass die Freikolbenvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Freikolbenmotoren mit jeweiligem elektrischem Lineartrieb aufweisen kann.
Der Freikolbenmotor 12 weist eine Kolbenaufnahme 16 auf, welche beispiels- weise zylindrisch ausgebildet ist mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Kolbenaufnahme 16 ist durch Kolbenwände 18 begrenzt.
In der Kolbenaufnahme 16 ist eine Kolbeneinrichtung 20 in einer Linearrichtung 22 beweglich. Diese Linearrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer Achse 24 der Kolbenaufnahme 16. Die Kolbeneinrichtung 20 umfasst einen ersten Kolben 26, einen zweiten Kolben 28 und eine Verbindungseinrichtung 30, welche den ersten Kolben 26 und den zweiten Kolben 28 miteinander verbindet. Der erste Kolben 26 weist eine erste Kolbenfläche 32 auf, welche einer ersten Stirnwand 34 der Kolben- aufnähme 16 zugewandt ist. Zwischen der ersten Kolbenfläche 32 und der ersten Stirnwand 34 ist in der Kolbenaufnahme 16 ein Expansionsraum 36 gebildet. Ein expandierendes Medium kann in dem Expansionsraum 36 eine Kraft auf den ersten Kolben 26 ausüben und dadurch die Kolbeneinrichtung 20 in der Linearrichtung 22 in einer Bewegung antreiben.
Der Expansionsraum 36 weist ein variables Volumen auf, welches abhängig ist von der Stellung des ersten Kolbens 26 in Relation zu der ersten Stirnwand 34.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum 36 ein Verbrennungsraum, in dem Brennstoff mit Oxidator verbrennen kann. Die Verbrennungsgase treiben dann die Kolbeneinrichtung 20 an.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum 36 ein Wärmeträgermedium expandiert und dabei die Kolbeneinrichtung 20 antreibt.
Der zweite Kolben 28 weist eine zweite Kolbenfläche 38 auf, welche einer zweiten Stirnwand 40 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Die erste Stirnwand 34 und die zweite Stirnwand 40 begrenzen die Kolbenaufnahme 16 stirnseitig. Die erste Kolbenfläche 32 und die zweite Kolbenfläche 38 sind abgewandt zueinander.
Zwischen der zweiten Kolbenfläche 38 und der zweiten Stirnwand 40 ist ein Rückfederraum 42 gebildet. In dem Rückfederraum 42 ist eine Rückfeder- einrichtung 44 aufgenommen. Diese sorgt dafür, dass die Kolbeneinrichtung 20 durch Wirkung auf den zweiten Kolben 28 in Richtung der ersten Stirnwand 34 zurückbewegt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung 44 ein komprimierbares Medium und insbesondere ein Gas. Die Rückfedereinrichtung 44 ist dann als Gasfeder ausgebildet. (Die Rückfedereinrichtung 44 kann grundsätz- lieh auch eine oder mehrere mechanische Federn aufweisen.)
Durch das expandierende Medium, welches kräftemäßig auf den ersten Kolben 26 wirkt, wird die Kolbeneinrichtung 20 in Richtung der zweiten Stirnwand 40 bewegt. In dem Rückfederraum 42, welcher ein variables Volumen aufweist, wird die Rückfedereinrichtung 44 komprimiert. Sie übt dann eine Rückstellkraft auf die Kolbeneinrichtung 20 aus, welche diese dann in Gegenrichtung auf die erste Stirnwand 34 zu bewegt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind randseitig gegenüber der Kolbenaufnahme 16 abgedichtet. Eine solche Dichtung ist im Zusammenhang mit dem zweiten Kolben 28 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet. Dadurch sind der Expansionsraum 36 und der Rückfederraum 42 fluiddicht voneinander getrennt. Ferner ist ein Zwischenraum zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 fluiddicht von dem Expansionsraum 36 und dem Rückfederraum 42 getrennt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind beabstandet zueinander mit dazwischenliegender Verbindungseinrichtung 30. Diese ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass bei gewährleisteter struktureller Steifigkeit die Masse der bewegten Kolbeneinrichtung 20 minimiert ist.
Der elektrische Lineartrieb 14 umfasst eine Läufereinrichtung 48 und eine Statoreinrichtung 50. Die Läufereinrichtung 48 ist zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 an der Verbindungseinrichtung 30 angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von beispielsweise ringförmigen Permanentmagneten 52a, 52b usw., welche mit alternierender Polung angeordnet sind. Mit der linearen Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 bewegt sich die Läufereinrichtung 48 linear innerhalb der Kolbenaufnahme 16 außerhalb des Expansionsraums 36 und außerhalb des Rückfederraums 42.
Die Statoreinrichtung 50 ist außerhalb der Kolbenaufnahme stationär angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen 54, welche die Kolbenaufnahme 16 in dem Bereich umgeben, in welchem die Läufereinrichtung 48 beweglich ist.
Durch die Bewegung der Läufereinrichtung 48 wird eine Spannung an der Statoreinrichtung 50 induziert, welche abgreifbar ist. Es erfolgt eine (Teil-)Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektrische Energie lässt sich auskoppeln und nutzen.
Es ist auch möglich, wie in der WO 03/091556 Al beschrieben, über eine entsprechende elektrische Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu beeinflussen; der Kolbenhub lässt sich über den elektrischen Lineartrieb 14 variabel einstellen, so dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 definierbar sind.
Es ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 vorgesehen, durch welche Aktoren der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar sind und Sensorsignale der Freikolbenvorrichtung 10 auswertbar sind. Ferner gibt die Steuerungs-/Rege- lungseinrichtung 56 eine Steuerungsstrategie und Regelungsstrategie vor, die hardwaremäßig und/oder softwaremäßig realisiert ist.
An der ersten Stirnwand 34 ist (mindestens) ein Einlassventil 58 für Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch angeordnet und/oder es ist ein Einlassventil für Oxidator (insbesondere Luft) vorgesehen. Ferner ist an der ersten Stirnwand 34 (mindestens) ein Auslassventil 60 angeordnet, über welches sich verbrauchtes Medium und insbesondere Verbrennungsabgase aus dem Expansionsraum 34 abführen lassen. Es kann ferner eine Einspritzeinrichtung (61) zum Einspritzen von Brennstoff vorgesehen sein.
Weiterhin kann eine Zündungseinrichtung 62 vorgesehen sein (in Figur 1 aus darstellerischen Gründen in übertriebener Größe gezeigt), um ein Brennstoff- Oxidator-Gemisch in dem Expansionsraum 36, welcher dann ein Verbrennungsraum ist, zünden zu können.
Weiterhin ist dem Expansionsraum 36 eine Sensoreinrichtung 64 zugeordnet, über welche ein oder mehrere Parameter messbar sind. Beispielsweise sind der Druck im Expansionsraum 36 und/oder die Temperatur messbar.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 steuert das oder die Einlassventile 58, das Auslassventil 60, die Zündungseinrichtung 62 und gegebenenfalls eine Einspritzeinrichtung an. Es lässt sich dadurch zu einem oder mehreren definierten Zeitpunkten das oder die Einlassventile 58 öffnen und schließen und/oder die Auslassventile 60 lässt sich öffnen und schließen. Ferner lässt sich zu einem definierten Zeitpunkt Brennstoff einspritzen und ein Brennstoff- Oxidator-Gemisch lässt sich zünden.
Signale der Sensoreinrichtung 64 werden an die Steuerungs-/Regelungs- einrichtung 56 übermittelt.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ist ferner an den elektrischen
Lineartrieb 14 gekoppelt, um beispielsweise gegebenenfalls über den elektrischen Lineartrieb 14 die Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 20 beeinflussen zu können.
Es ist eine Sensoreinrichtung 66 vorgesehen, welche entsprechende Sensorsignale der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereitstellt, über welche die momentane Position der Kolbeneinrichtung 20 in Relation zu der Kolbenaufnahme 16 messbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem Rückfederraum 42, wenn dieser ein Gasfederraum ist, ein Druckspeicher 68 zugeordnet. Der Druckspeicher 68 ist mit dem Rückfederraum 42 über ein Steuerventil 70 verbunden, welches durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ansteuerbar ist. Über den Druckspeicher 68 ist der Druck in dem Rückfederraum 42 beispielsweise in einem unteren Totpunkt (UT1-) der Kolbeneinrichtung 20, bei welchem diese mit dem ersten Kolben 26 nächstliegend zu der ersten Stirnwand 34 ist, einstellbar. Es lassen sich dadurch die Eigenschaften der Gasfeder einstellen. Insbesondere lässt sich eine Federkonstante bzw. Federkennlinie einstellen.
Der Druckspeicher 68 ist mit dem entsprechenden Rückfedermedium befüllbar bzw. er ist entleerbar. Insbesondere lässt sich der Druck in dem Druckspeicher 68 außerhalb der Kolbenaufnahme 16 einstellen. Entsprechend ist beispielsweise ein steuerbares Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 vorgesehen. Ein Weg ist ein Befüllungsweg für den Druckspeicher 68 und ein zweiter Weg ist ein Entlüftungsweg. Das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 ist an die Steuerungs-/Regelungs- einrichtung 56 gekoppelt. Eine Pumpe 73 ist an einen Eingang des Drei-Zwei- Wege-Ventils 72 angeschlossen.
Dem Rückfederraum 42 sind ein oder mehrere Sensoren 74 zugeordnet. Insbesondere ist ein Drucksensor vorgesehen. Es kann beispielsweise auch ein Temperatursensor vorgesehen sein. Diese stellen ihre gemessenen Werte der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereit.
In Figur 1 ist durch einen Pfeil 76 schematisch angedeutet, dass die Steue- rungs-/Regelungseinrichtung 56 auch weitere Freikolbenmotoren überwachen, steuern und regeln kann. Beispielsweise kann ein weiterer Freikolbenmotor vorgesehen sein, um bei entsprechender Anordnung der Kolbeneinrichtung einen Massenausgleich zu erhalten. Durch eine zeitlich sich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36, beispielsweise durch eine sich zeitlich wiederholende Verbrennung von Brennstoff, wird die Kolbeneinrichtung 20 in einer Oszillationsbewe- gung angetrieben. Die Kolbeneinrichtung bewegt sich dabei zwischen einem bezogen auf den Expansionsraum 36 unteren Totpunkt (UTex) und oberen Totpunkt (OTex). Der untere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den größten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. Der obere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den kleinsten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. In Figur 3 sind unten schematisch diese Totpunkte UTex und OTex gezeigt. Die Auslenkung x bezieht sich auf den Abstand von der ersten Stirnwand 34 in der Linearrichtung 22. Ein Kolbenhub ist der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt. Dieser wird mit S bezeichnet.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 führt Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge hierarchisch durch. Sie ist dazu in eine erste Ebene 78, eine zweite Ebene 80 und in eine dritte Ebene 82 gegliedert. Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet und die zweite Ebene 80 ist der ersten Ebene 78 übergeordnet.
Auf der ersten Ebene 78 finden Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge statt, welche auf einer Zeitskala liegen, welche unterhalb der Dauer eines Kolbenhubs liegen. In der ersten Ebene 78 finden beispielsweise in einer Expan- sionsraumregelungseinrichtung 84 Regelungsvorgänge statt, welche die Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36 und insbesondere Verbrennungsvorgänge betreffen. Diese Regelungsvorgänge umfassen insbesondere die Steuerung bzw. Regelung des oder der Einlassventile 58, des oder der Auslassventile 60 und der Zündungseinrichtung 62 sowie gegebenenfalls die Steuerung bzw. Regelung einer Einspritzeinrichtung. Die Expansionsraumregelungseinrichtung 84 empfängt Sensorsignale der Sensoreinrichtung 64 und legt diese Steuerungsprozessen und Regelungsprozessen zugrunde.
Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Lineartriebregelungseinrichtung 86, welche den Lineartrieb 14 steuert bzw. regelt. Durch entsprechende Strombeaufschlagung der Statoreinrichtung 50 ist dies möglich. Die Lineartrieb- regelungseinrichtung 86 empfängt Signale der Sensoreinrichtung 66.
Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Rückfederraumregelungseinrichtung 88. Über diese lässt sich das Steuerventil 70 steuern bzw. regeln. Die Rück- federraumregelungseinrichtung 88 umfasst Signale des Sensors 74.
In der ersten Ebene 78 wird der Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt gesteuert bzw. geregelt. Es werden Aktoren angesteuert (in Figur 2 dadurch angedeutet, dass eine Pfeilspitze auf diese zeigt) und es werden Sensorsignale empfangen (in Figur 2 dadurch angedeutet, dass die Pfeilspitze von diesen weg zeigt).
In der zweiten Ebene 80 erfolgt eine Regelungsberechnung auf einer Zeitskala, welche der Zeitdauer eines oder mehrerer Kolbenhübe entspricht. Es erfolgt eine Art von "integraler" Regelungsberechnung und auch dann entsprechende Ansteuerung. Es erfolgt dabei ein Datenaustausch zwischen der ersten Ebene 78 und der zweiten Ebene 80.
Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet. In der dritten Ebene 82 werden beispielsweise Überwachungsprozesse durchgeführt und es können beispielsweise, wenn mehrere Kolbeneinrichtungen vorhanden sind, Synchronisierungsvorgänge durchgeführt werden. Die Ebenen 78, 80 und 82 arbeiten auf unterschiedlichen Zeitskalen. Es lassen sich dadurch Regelungsvorgänge hierarchisch gliedern. In der ersten Ebene 78 wird die physikalische Strecke des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt beeinflusst bzw. es findet eine direkte Auswertung von Sensorsignalen statt. In der zweiten Ebene 80 wird, wie unten noch näher beschrieben wird, eine Ereignisregelung und insbesondere Regelung der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 von einem (vollständigen) Kolbenspiel zu dem nächsten durchgeführt. In der ersten Ebene 78 erfolgt dabei eine unmittelbare Ereignisregelung an dem Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14.
In der dritten Ebene 82 erfolgt beispielsweise auch eine Lastwechselanpassung.
Durch die hierarchische Gliederung lassen sich die unterschiedlichen Zeitskalen für Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge trennen. Dadurch können die Regelungsvorgänge optimiert werden.
Erfindungsgemäß wird die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 so geregelt, dass der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd eingesetzt wird, das heißt keine Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 durch den elektrischen Lineartrieb 14 erfolgt. (Es ist grundsätzlich möglich, dass über den elektrischen Lineartrieb 14 eine definierte Bewegungsform der Kolbeneinrichtung 20 in ihrer Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben wird. Beispielsweise wird ein sinusförmiger Verlauf des Wegs x und der Geschwindigkeit v (als Ableitung des Wegs über der Zeit) vorgegeben.)
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird dagegen eine "freie" Schwingung der Kolbeneinrichtung 20 erlaubt, welche allein durch die Expansion des Mediums in dem Expansionsraum 36 und die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 vor- gegeben ist sowie von dissipativen Verlusten bei der Bewegung. Die nutzbare Arbeit durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 entspricht dann im Wesentlichen der aus der elektrischen Lineareinrichtung 14 ausgekoppelten elektrischen Energie.
In Figur 3 ist schematisch ein Bewegungsverlauf angedeutet in der Form eines Geschwindigkeits-Zeit-Diagramms für eine vollständige Bewegung des ersten Kolbens 26 von dem oberen Totpunkt über den unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt zurück, wenn der obere Totpunkt als Startpunkt gewählt wird. Typischerweise ist dieser Bewegungsverlauf nicht exakt sinusförmig. In einer Expansionsphase ausgehend von dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt beschleunigt die Expansion die Kolbeneinrichtung 20 stärker als die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 die Kolbeneinrichtung 20, wenn sie sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt (bezogen auf den ersten Kolben 26) bewegt. Dadurch ist die Zeitdauer einer ersten Phase der Kolbenbewegung (Expansionsphase) kleiner als die Zeitdauer einer zweiten Phase der Kolben- bewegung (Kompressionsphase bzw. Rückfederphase).
Es ist zu beachten, dass, wie unten noch näher erläutert wird, die Regelung so durchführbar ist, dass der Kolbenhub S fest ist. Dieser feste Kolbenhub ist dann die Größe, auf die einzuregeln ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Einregelungsvorgang auf einen stationären Betrieb und der stationäre Betrieb selber so durchgeführt wird, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie entspricht. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass ein Eingriff beispielsweise zur Vorgabe von Startbedingungen über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 möglich ist, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 aktiv eingesetzt wird und die Kolbeneinrichtung 20 in eine bestimmte Position (über Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50) gebracht wird. Die nutzbare Arbeit WN pro Kolbenspiel ist
Wh = §PE dVE + §PR dVR - wd, (1)
Sie setzt sich zusammen aus einem Beitrag des Expansionsraums 36 (Druck PE) und einem Beitrag des Rückfederraums 42 (Druck pR) und einem Dissi- pationsbeitrag WdlSs-
Die über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelte Energie WL ist
WL = $FL (x) dx (2)
FL ist dabei die wirkende mechanische Kraft, welche der Auskopplungskraft entspricht.
Wenn der elektrische Lineartrieb 14 als rein elektrischer Generator betrieben wird, d. h. der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd (rein passiv) betrieben wird und die Kolbeneinrichtung 20 ihrer durch die Expansion des Mediums im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft bewirkte Bewegung über- lassen wird, dann ist die nutzbare Arbeit WN gleich der über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie WL.
Wenn der Anteil WdιSs bekannt ist bzw. abgeschätzt werden kann, lässt sich die nutzbare Arbeit pro Kolbenhub berechnen. Durch Vorgabe der Bedingungen im Expansionsraum 36 im Rückfederraum 42 lässt sich die nutzbare Arbeit in gewissem Umfang einstellen. Der Verlauf der Kraft FL ist bezogen auf einen Kolbenhub grundsätzlich beliebig, solange die Bedingung WL = WN erfüllt ist. Es sind deshalb unterschiedliche Vorgaben für den Verlauf der Kraft (für das Kraftprofil der Wegabhängigkeit der Kraft) möglich. Über diese Vorgaben wiederum ist eine Regelungs- Strategie durchführbar.
Eine Regelungsstrategie kann so erfolgen, dass der Kolbenhub S in einem bestimmten Wertebereich liegt und/oder die Kraft FL in einem bestimmten Wertebereich und/oder die Verdichtung in einem bestimmten Wertebereich liegt und/oder das Verdichtungsverhältnis in einem bestimmten Wertebereich liegt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Regelungsstrategie derart, dass der Kolbenhub fest ist, d. h. die Regelgröße ist ein fester Kolbenhub S; es erfolgt eine Vorgabe des Kolbenhubs S bei einem freien Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20.
In der Figuren 4(a) bis 4(e) sind mögliche vorgebbare Kraftverläufe gezeigt, welche auf eine dimensionslose Koordinate χ(t) bezogen sind, welche definiert ist als
χ{t) = <t) - χ(tuτ) ( 3)
Dabei x(tuτ) die Position des ersten Kolbens 26 im oberen Totpunkt OTex und x(t) ist die aktuelle Kolbenposition. Die dimensionslose Kraft γ(t) ist definiert als
γ(t) = FL(t)/FL, max (4)
Die Kraft FL/ max ist definiert als
W FU max = — ^ (5)
VΛ Dabei ist kA ein Flächenfaktor.
Über die Vorgabe des Kraftprofils der Kraft lässt sich eine Regelung durch- führen mit der Regelungsstrategie, eine freie Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu ermöglichen. Die Bedingung dabei ist WN = WL. Die momentane Sollkraft, die der elektrische Lineartrieb 14 aus dem System auskoppeln soll, wird dann entsprechend einer Strategie gewählt, um beispielsweise einen konstanten Sollhub S zu erhalten.
Je nach Anwendung kann ein entsprechendes Kraftprofil gewählt werden. Beispiele für Kraftverläufe sind in den Figuren 4(a) bis 4(e) gezeigt. Diese Beispiele sind symmetrisch bezüglich Expansion und Kompression.
In Figur 5(a) ist der Kraftverlauf gemäß Figur 4(a) nochmals gezeigt. Er kann verschoben werden (Figur 5(b) und 5(c)). Dies entspricht einer unterschiedlichen Energieverteilung auf die Expansionsphase (fE > 0,5) bzw. auf die Kompressionsphase (fE < 0,5). Wie oben erwähnt kann der Verlauf der Auskopplungskraft so gewählt werden, dass die gewählte Regelungsstrategie durch- geführt werden kann.
Die Eingriffsmöglichkeiten bei der Regelung liegen in der entsprechenden Ansteuerung der Aktoren des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ebene 78 der hierarchischen Steuerung und Regelung beschrieben.
Wie in Figur 6 schematisch angedeutet, kann beispielsweise ein Zeitpunkt eines Schließens 90 des Auslassventils 60 und/oder eines Schließens 92 des Einlassventils 58 entsprechend eingestellt werden. Ferner kann beispielsweise ein Einspritzbeginn 94 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Zündzeitpunkt 96 der Zündungseinrichtung 62 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Verbrennungsende 98 beeinflusst werden. Auch das Öffnen 100 des Auslassventils 60 und ein Öffnen 102 des Einlassventils 58 kann eingestellt werden.
Weiterhin lassen sich die Verhältnisse im Rückfederraum 42 beispielsweise durch Druckeinstellung beeinflussen. Über den Druckspeicher 68 und das Steuerventil 70 lassen sich Parameter der Rückfedereinrichtung 44 beeinflussen und einstellen und gegebenenfalls auch in zeitlicher Abhängigkeit einstellen. Beispielsweise kann die Rückfedereinrichtung 44 versteift werden oder weicher gemacht werden, wenn notwendig.
Beispielsweise kann über Einstellung des Drucks im unteren Totpunkt UTr des Rückfederraums 42 die Verdichtung eingestellt werden beziehungsweise variiert werden. Eine variable Kennlinie der Rückfedereinrichtung 44 beeinflusst die eingespeicherte Energiemenge und legt damit die für eine Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie fest. Diese für die Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie setzt sich aus der in der Rückfedereinrichtung 44 gespeicherten Energie für die anstehende Rückstellung der Kolbeneinrichtung 20, der in der Kompressionsphase noch auszukoppelnden nutzbaren Ar- beit, der Verdichtungsenergie für den Expansionsraum 36 und dissipativen Verlusten zusammen. Es lässt dich dadurch der obere Totpunkt OTex im Expansionsraum 36 einstellen. Wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung 44 eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und damit verringert sich die Verdichtung.
Es erfolgt dabei eine entsprechende Regelungsstrategie in der zweiten Ebene 80. Es wird dabei aus der nutzbaren Arbeit für einen vollständigen Kolbenhub auf den nächsten Kolbenhub geschlossen. Diese Annahme ist korrekt, wenn ein stationärer Betrieb vorliegt bzw. quasistationärer Betrieb vorliegt, in wel- chem Änderungen und insbesondere Laständerungen erheblich langsamer sind als die Zeitdauer eines Kolbenhubs. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt, eventuell ausgehend von einer Startphase, bei welcher der elektrische Lineartrieb 14 regelnd eingesetzt werden kann, beispielsweise eine Einregelung auf einen stationären Betrieb, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd als elektrischer Generator eingesetzt wird. Sowohl während des Einregelungsprozesses als auch im stationären (bzw. quasistationären) Betrieb entspricht die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten elektrischen Energie. Die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung 20 durch das expandierende Medium im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft einschließlich dissipativer Verluste bestimmt den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20. Der elektrische Lineartrieb stellt eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein und beeinflusst damit die Flugbahn der Kolbeneinrichtung 20.
Die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Kraftbeaufschlagung des ersten Kolbens 26 bestimmen (wie beispielsweise die in Figur 6 gezeigten Parameter), werden entsprechend eingestellt.
Die Regelung ist eine "thermodynamische" Regelung. Es werden entsprechende thermodynamischen Größen im Expansionsraum 36 und/oder Rückfederraum 42 eingestellt, um den "freien" Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20 zu erhalten.
Durch die Lösung ist es beispielsweise möglich, auf einen konstanten Kolbenhub S einzuregeln, d. h. auf minimale Änderungen im Kolbenhub einzuregeln.
In den Figuren 7(a) und (b) sind schematisch unterschiedliche Kraftprofile 104 und 106 und dimensionslosen Koordinaten gezeigt. Das Kraftprofil 104 gehört eine Expansionsphase 108a und eine Kompressionsphase 108b. Der Flächeninhalt für die Expansionsphase 108a und für die Kompressionsphase 108b ist gleich. Zu dem Kraftprofil 106 gehört eine Expansionsphase 110a und eine Kompressionsphase 110b. Der Flächeninhalt der Expansionsphase 110a ist größer als der Flächeninhalt der Kompressionsphase 110b. Das Kraftprofil 106 ist so ge- wählt, dass die Kolbenbewegung in der Expansionsphase 110a verlangsamt wird, um, wenn die Kolbeneinrichtung 20 durch Verbrennungsprozesse im Expansionsverfahren 36 angetrieben wird. In Figur 7(c) ist schematisch das zu den Kraftprofilen 104 und 106 zugehörige Abkühlverhalten von Gasen (Zylindergasen) im Expansionsraum 36 gezeigt. Bei dem Kraftprofil 106 ist das Ab- kühlen verlangsamt, da die Kolbenbewegung bei der Expansion durch das Kraftprofil 106 verlangsamt wird.
Man sieht, dass ein entsprechendes Abkühlverhalten über das verwendete Kraftprofil eingestellt werden kann. Dadurch wiederum lässt sich das Emis- sionsverhalten positiv beeinflussen (beispielsweise lassen sich bestimmte Abkühlkurven einstellen, wobei die Abkühlkurven wiederum die Partikelentstehung bestimmen).
In den Figuren 8(a) und 8(b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß Figur 8(a) dem Kraftprofil 104 gemäß Figur 7(a) entspricht. Das Kraftprofil 112 gemäß Figur 8(b) ist so gewählt, dass die Kolbengeschwindigkeit im Bereich an und vor dem unteren Totpunkt stark verlangsamt wird. Entsprechend hat das Kraftprofil 112 einen Abfall 114.
Das Kraftprofil 112 dient dazu, einen Verbrennungsprozess in dem Expansionsraum 36 einen Gleichraumprozess anzunähern, welcher einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist. In Figur 8(c) sind zugehörige p- V-Diagramme gezeigt (Abhängigkeit eines Drucks im Expansionsraum 36 [Zylinderdruck] in Abhängigkeit des Volumens). Man erkennt den Einfluss des Kraftprofils 112. In Figur 9(a) und (b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß Figur 9(a) dem Kraftprofil 104 entspricht. Das Kraftprofil 116 gemäß Figur 9(b) ist so gewählt, dass die Geräuschemission während eines Verbrennungsprozesses minimiert ist. Die Geräuschemission wird wesentlich durch den Druckanstieg im Expansionsraum 36 bestimmt. Das Kraftprofil 116 ist so gewählt, dass die Kolbeneinrichtung 20 nach Passieren des oberen Totpunkts stärker beschleunigt wird. Es sollen starke Druckgradienten vermieden werden. Entsprechende p-V-Diagramme sind in Figur 9 (c) gezeigt. Man erkennt, dass der Zylinderdruck bei dem Kraftprofil 116 zu geringeren Druckgradienten und damit zu geringerer Geräuschemission führt.
Die Nebenbedingung ist, dass der Flächeninhalt über ein Kraftprofil über eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Energie entspricht, welche dann über den elektrischen Lineartrieb als elektrische Energie auskoppelbar ist.
Es ist grundsätzlich möglich, dass verschiedene Anforderungen wie beispielsweise Temperaturverhalten, Geräuschemission etc. bei der Verwendung des Kraftprofils berücksichtigt werden.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 weist beispielsweise eine Datenbank auf, in der vorgegebene Kraftprofile gespeichert sind und aus der je nach Anwendungsfall das geeignete Kraftprofil ausgelesen wird.
Grundsätzlich kann die nutzbare Arbeit während einer Periode der Kolbenbewegung aus der nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehenden Kolbenbewegungsperioden abgeschätzt werden, um eine entsprechende Regelung durchzuführen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass innerhalb einer Periode der Kolbenbewegung die nutzbare Arbeit für diese Periode abgeschätzt wird, in dem die von Beginn zur Periode bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten verwendet werden, um die nutzbare Arbeit für die gesamte Periode abzuschätzen. Gegebenenfalls wird dann das Kraftprofil modifiziert, um eine optimierte Regelung entsprechend der gewählten Regelungsstrategie zu erhalten.
Grundsätzlich ist es so, dass beim Betreiben eines Freikolbenmotors bei Volllast der Hub (Hubraum) größer ist als bei Teillast. Bei Teillast wird der Hubraum reduziert. Durch Einstellung des Hubs und/oder Verdichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich entsprechend den Lastverhältnissen ein optimierter Betrieb erreichen und es lässt sich optimiert elektrische Energie auskoppeln.
Durch entsprechende Einstellung der Rückfedereinrichtung (beispielsweise durch Erhöhung des Drucks in einem unteren Totpunkt eines entsprechenden Rückfederraums) lässt sich eine Hubraumeinstellung in Kombination mit der Kraftprofileinstellung durchführen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft- Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe des Kraftprofils der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum ein Verbrennungsraum ist und die Kolbeneinrichtung durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen : ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, Einlassschließens, Auslassöffnens, Auslass- schließens, Einspritzung, Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Rückfedereinrichtung, durch welche die Rückstellkraft einstellbar ist, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen : Druck, Temperatur, Maximalvolumen, Minimalvolumen in einem Rückfederraum, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Vorspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein energetischer Zustand aus gemessenen Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbeneinrichtung berechnet wird.
8. Verfahren nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung von Dissipationsenergie verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen geschlossen wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem bestimmten Hubbereich und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich und/oder eine Verdichtung in einem bestimmten Verdichtungsbereich und/oder das Verdichtungsverhältnis in einem bestimmten Verdichtungsverhältnisbereich eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben wird und/oder variiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über die Periode geschätzt wird und gegebenenfalls das Kraftprofil modifiziert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftprofil so modifiziert wird, dass eine Verdichtung in einem Sollwertbereich liegt.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung mittels des Rückfederraumes eingestellt und/oder variiert wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass umschaltbar ist von einer oder auf eine Betriebsweise, in der der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung aktiv, und insbesondere in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit, einstellt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit aktiv einstellt.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mindestens zwei hierarchisch gegliederte Ebenen aufweist, wobei in einer ersten Ebene auf einer Zeitskala kleiner als die Zeitdauer eines Kolbenhubs am Freikolbenmotor angeordnete Sensoren Signale abgeben und Aktoren den Freikolbenmotor ansteuern, und in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub erfolgt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine dritte Ebene, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.
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