WO2010046120A1 - Freikolbenmotor mit variablem hub und verfahren zum betreiben eines freikolbenmotors - Google Patents

Freikolbenmotor mit variablem hub und verfahren zum betreiben eines freikolbenmotors Download PDF

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WO2010046120A1
WO2010046120A1 PCT/EP2009/007601 EP2009007601W WO2010046120A1 WO 2010046120 A1 WO2010046120 A1 WO 2010046120A1 EP 2009007601 W EP2009007601 W EP 2009007601W WO 2010046120 A1 WO2010046120 A1 WO 2010046120A1
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WO
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piston
free
opening
dead center
top dead
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/007601
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juergen Graef
Markus Graef
Original Assignee
Umc Universal Motor Corporation Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Umc Universal Motor Corporation Gmbh filed Critical Umc Universal Motor Corporation Gmbh
Publication of WO2010046120A1 publication Critical patent/WO2010046120A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • 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
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders

Definitions

  • the present invention relates to a free-piston engine with variable stroke, in particular double piston engine, preferably opposed piston engine, comprising a piston receptacle in which a first piston and a second piston linearly displaceable are arranged such that between a first end face of the first piston and a second end face of the second piston a combustion chamber is formed, wherein the piston receiver has a side wall along which the pistons can displace, and wherein the side wall has a first opening, which is designed for a supply of fresh air, and a second opening, which is designed for a discharge of exhaust gas is.
  • the invention further relates to a method for operating a free piston engine, in particular a double piston engine, preferably an opposed piston engine.
  • a free-piston engine has a drive part and a working part.
  • the expansion process involves the combustion of a fuel mixture, releasing chemical energy.
  • This chemical energy is at least partially converted into kinetic energy, namely the movement of the piston.
  • the power output is non-mechanical, the working part is designed in particular as a pump, compressor or generator.
  • the free-piston engine has hitherto often been used to drive a compressor. In this case, a medium is compressed in a pressure chamber, which is then discharged under pressure into a pressure accumulator. Furthermore, free-piston engines have been realized in which the released chemical energy is converted into hydraulic work.
  • a free-piston engine can offer a variable adjustment of the displacement and the compression due to the lack of mechanical connection, so in particular due to a missing crankshaft. This enables above-average fuel efficiency with high performance dynamics and a controlled, low-emission combustion, both for the full load range and for the partial load range.
  • the variable compression also allows the use of a wide variety of fuels and fuel mixtures (Flexfuel).
  • the free-piston engine has its compact, simple construction and its modularity, which enables a power multiplication by a simple coupling of several modules.
  • the modular approach offers the opportunity to meet the cost targets and requirements for drive technology in automobiles.
  • the technology of the free-piston engine can be used in many other fields of application, such as the stationary power supply or for use as a mobile hydraulic unit.
  • the compact dimensions and scalability in terms of power output enable further applications, for example as an emergency generator or auxiliary power unit (APU).
  • APU auxiliary power unit
  • the aforementioned WO 03/091556 A1 shows an advanced free-piston engine with two pistons, which can provide a large expansion chamber or combustion chamber at full load and, in contrast, uses only a significantly smaller combustion chamber in part-load operation.
  • the free-piston engine By a special control of the free-piston engine, the desired reversal points or dead points, the piston speed and the compression can be adjusted.
  • the concept of this free-piston engine has proven to be advantageous in first attempts. It has been found in initial investigations that - although the free-piston engine in principle also allows a 4-stroke operation - a 2-stroke operation is both advantageous for the operation of the free-piston engine and brings cost advantages in the production. However, in 2-stroke operation, achieving good efficiency and exhaust emissions is a constant challenge.
  • a free piston engine mentioned above in particular by a double piston engine, preferably an opposed piston engine, wherein the first and the second opening are arranged such that during a power stroke of the first piston, the first and the second opening from first piston are covered.
  • the invention ensures in particular that due to the position of the first piston at the time of ignition, the combustion chamber has neither a connection to the first opening nor a connection to the second opening.
  • hidden means, in particular, that from the point of view of the combustion chamber, the first and the second opening can not be seen. There is then no gas exchange between the combustion chamber and the respective opening.
  • the comfortable valve control as proposed in WO 03/091556 A1 can now be dispensed with.
  • the arrangement of the first and the second opening leads to the fact that instead of the known in other reciprocating engines longitudinal rinsing - based on the longitudinal extent of the piston seat - now a transverse flushing is used.
  • the longitudinal extent of the piston receptacle should be understood to mean, in particular, the direction along which the first and second pistons move during operation.
  • high-load operation should be understood as an operating state in which the engine delivers at least 50%, preferably at least 70%, and in particular at least 90% of its maximum available power.
  • the high-load operation also includes full-load operation.
  • the fresh air when introduced into the combustion chamber with fuel can be mixed.
  • fuel e.g. Petrol or diesel
  • the fresh air can be mixed with other additives, for example, increase the ignition readiness of the fuel mixture.
  • the first and second openings are preferably designed as a slot.
  • each of the first and second openings may consist of a plurality of opening portions, but again, each of the first opening portions serves to supply fresh air, and each of the second opening portions serves to discharge the exhaust gas.
  • additional controls in or at the openings, in particular valves, it is currently regarded with regard to cost aspects as advantageous to control the opening and closing of the openings by means of the first piston.
  • the first opening is in particular connected directly to a fresh air supply line or to a fuel mixture supply line
  • the second opening is in particular directly connected to an exhaust gas line, particularly preferably to a resonance tube.
  • the second opening is arranged closer to the combustion chamber, based on the longitudinal extension of the piston receptacle. This results in that during the movement of the first piston from its first top dead center to its first bottom dead center first a connection between the combustion chamber and the second opening and then, slightly offset in time, a connection between Combustion chamber and second opening is made. As a result, at least part of the exhaust gas under pressure in the combustion chamber can escape through the second opening before the combustion chamber also receives a connection to the first opening.
  • the first opening may also be referred to as an inlet opening and the second opening as an outlet opening.
  • the invention offers the advantage that a free-piston engine with two pistons, which limit a common combustion chamber, can be built, which on the one hand is cost-effective and on the other hand is optimized for partial load operation. Nevertheless, the free-piston engine according to the invention keeps the option open to allow further design measures for optimizing the full-load operation, as will be explained later in this description.
  • the first and the second opening are arranged such that during a power stroke of the first piston, the second opening is at least partially covered by the first piston when the first opening is completely covered by the first piston.
  • This refinement can be used particularly advantageously for the above-mentioned aspect, namely that at least part of the exhaust gas should first escape from the combustion chamber before the connection to the fresh air supply or to the fuel mixture feed is established.
  • the first opening is arranged such that - based on a longitudinal extension of the piston seat - a first longitudinal extent of the first opening - based on the longitudinal extension of the piston seat - at least partially with a second longitudinal extent of second opening - based on the longitudinal extension of the piston seat - coincides.
  • This embodiment also allows a particularly advantageous time sequence of the gas exchange. Since in this particular consideration of the position of the openings, only the position with respect to the longitudinal extent is relevant, an offset of the openings in the direction of the circumferential extent ignored.
  • This embodiment also makes possible an advantageous arrangement of the two openings with regard to the flushing process of the combustion chamber.
  • a first center of the first opening to a second center of the second opening by an angle between 60 ° and 300 °, preferably between 90 ° and 270 °, more preferably between 120 ° and 240 °, - related on a circumferential extension of the piston seat - staggered.
  • the first and the second opening - relative to a circumferential extent of the piston seat - to arrange relatively close to each other and then perform a reverse purge, it is considered advantageous to offset the two openings by said angle and thereby an advantageous transverse flushing to achieve.
  • the center of the respective groups can be used for determining the angle between the group of first opening sections and the group of second opening sections.
  • the first piston is associated with a first return device, which is designed to cooperate with the first piston and the first piston after a combustion process and after reaching the first bottom dead center in the direction of a first top dead center of the first piston move.
  • the setting of the first top dead center of the first piston can be influenced or actively carried out.
  • all means are suitable which cause the first piston does not drive beyond the desired first bottom dead center and that the first piston is moved after reaching the first top dead center in the direction of the first bottom dead center.
  • the restoring device is a gas spring which absorbs at least part of the kinetic energy which the first piston has received as a result of the combustion in the combustion chamber.
  • the gas spring absorbs energy, with which it can then move the first piston, starting from its first bottom dead center in the direction of its first top dead center.
  • the gas spring is formed on the rear side of the piston, that is, the space formed by the rear side of the first piston and the piston receiver serves as a gas spring.
  • the first piston it is also preferably possible to provide the first piston with a first piston rod, which then cooperates outside of the piston receiving a gas spring.
  • the gas spring can be adjusted in particular via a valve mechanism with respect to their spring force.
  • the linear generator can also be used for a limited time as a linear motor to influence the movement of the first rotor and thus the movement of the first piston.
  • the reset to realize device as a combination of gas spring and temporary engine operation of the linear generator. In this motor operation, the linear generator is then driven as a linear motor to move the respective piston.
  • the second piston associated with a second return means which is adapted to cooperate with the second piston and to move the second piston after a combustion process in the direction of a second top dead center of the second piston.
  • both the first piston, a first return device and the second piston is associated with a second return device.
  • the free-piston engine has a control device which is designed to vary a first top dead center of the first piston and / or a second top dead center of the second piston.
  • different operating states of the free-piston engine can be adjusted in a simple manner, in particular a first operating state, in which the free piston engine runs in partial load operation and a second operating state, in which the free piston engine in high load operation, in particular full load operation runs.
  • the desired variation can preferably be effected by means of the aforementioned restoring device.
  • there are other adjustment options if one preferably the amount of fuel, possibly in conjunction with a charge varies.
  • the free-piston engine to a control device which is adapted to vary a first top dead center of the first piston and a second top dead center of the second piston such that a position of the combustion chamber - based on the longitudinal extent of the piston seat - is variable.
  • This possibility of the control is particularly advantageous in terms of the settings which are to be made in a first operating state, in particular a partial load operation, and a second operating state, in particular a high load operation. It is particularly advantageous if the position of the combustion chamber, in particular the center of the combustion chamber, at reduced load closer to the first and the second opening is - based on the longitudinal extent of the piston seat - as this is the case during high load operation. It can then be ensured in a simple manner that despite a smaller stroke in part-load operation, the first and the second opening are always released for a gas exchange.
  • This type of drive can be combined either alone or in combination with the top dead center variation described above.
  • the free-piston engine to a control device which is adapted to vary a first top dead center of the first piston and a second top dead center of the second piston such that a longitudinal extension of the combustion chamber - based on the longitudinal extent of the piston seat - is variable.
  • the circumstance can be particularly well taken into account that a lower amount of fuel mixture is burned during partial load operation than during full-load operation. While conventional systems due to their connection to a crankshaft in part-load operation fill a constantly large combustion chamber with a smaller amount of fuel mixture, in this embodiment, the size of the combustion chamber can be adapted to the respective load requirement and thus an optimization of the efficiency can be achieved.
  • different densities can be set by the adjustability of the longitudinal extent of the combustion chamber with the same amounts of fuel. Assuming a constant fuel quantity, a first compression results for a first longitudinal extent of the combustion chamber when both pistons have reached their top dead center and results in a second fuel injection. th, smaller longitudinal extent a second, larger compression.
  • the free-piston engine also allows the use of variable timing.
  • This type of control can either be used alone or combined in combination with one or more of the aforementioned control options.
  • a detonator is arranged in the side wall such that the ignition trigger at a time when the first piston is at a first top dead center and the second piston is at a second top dead center, in a first operating state of the free-piston engine has no operative connection to the combustion chamber.
  • the following advantageous mode of operation can be realized.
  • the ignition trigger is arranged at least substantially in the vicinity of the center of the combustion chamber. While until now the doctrine prevailed that due to the position of the ignition in high-load operation at the same time a minimum possible combustion chamber for the part-load operation is given because the trigger must be in part-load operation in conjunction with the combustion chamber, it was recognized in the invention that also a partial load operation is possible in which the ignition trigger has no connection or operative connection to the combustion chamber.
  • HCCI homogeneous charge compression ignition
  • the ignition trigger can be realized in many ways, in particular by one or more spark plugs, a spark plug bank or as a laser igniter. If at least two detonators are used, it is also possible in another advantageous embodiment to use a first detonator during high load operation and a second detonator, which is located at a different location - based on the longitudinal extent of the piston seat - for the partial load operation use. In this case, it is further preferred if, during the high-load operation, the combustion of the fuel mixture is assisted by the first ignition trigger from the second ignition trigger.
  • a plurality of ignition triggers are arranged offset along the circumferential extent of the piston receiving.
  • the first piston is coupled to a first linear generator and / or the second piston to a second linear generator.
  • the linear generator has a rotor on which a piston, here the first or second piston, is arranged. Along the stroke direction several magnets are arranged on the rotor, which cooperate with a stator for generating electrical energy.
  • the stator has a plurality of windings in which a current is induced by means of the magnets which move past the windings when the rotor moves.
  • the first piston and / or the second piston is coupled to a compressor.
  • the energy obtained by the combustion process can be coupled out.
  • the use of the compressor is combined with the above-described use of a linear generator.
  • the side wall has a third opening which is designed for a discharge of exhaust gas such that during a working stroke of the second piston, the third opening is covered by the second piston or concealed in certain operating conditions.
  • This embodiment has the advantage that by means of the second piston, a further opening, namely the third opening, can be controlled in order to carry out the removal of exhaust gas.
  • the third opening is - relative to the longitudinal extent of the piston seat - preferably so far away from the first and the second opening that, alternatively or in addition to the transverse scouring between first and second opening adjusts a longitudinal flush between the first and third openings.
  • the special feature also lies in the fact that the optimization for the partial load operation can be completely maintained if, during a first operating state, here the partial load operation, the second piston such that the third opening is not connected to the combustion chamber during a complete power stroke. If the load request now increases, the second bottom dead center of the second piston is displaced in such a way that the third opening is released during the movement of the second piston. On the one hand this allows the inclusion of a larger amount of fuel mixture, on the other hand, the third opening is released, so that now a longitudinal flush can be made in addition to or as an alternative to the transverse flushing.
  • This embodiment advantageously combines the optimized performance for the part-load operation and also allows good performance in high-load operation.
  • Providing a piston receptacle with a side wall providing a first piston and a second piston in the piston receptacle, such that between a first end face of the first piston and a second end face of the second piston a combustion chamber is formed, in the side wall, providing a first opening is designed for a supply of fresh air, and a second opening, which is designed for a discharge of exhaust gas, Supplying fresh air through the first opening in the side wall and
  • the first piston or the second piston drive in a first operating state, in particular in partial load operation, a first top dead center or a second top dead center, whereas in a second operating state, in particular in a high load operation, a third top dead center or reach a fourth top dead center.
  • a third top dead center is different from the first top dead center or the fourth top dead center different from the second top dead center.
  • the third top dead center is different from the first top dead center and the fourth top dead center is different from the second top dead center.
  • both the position of the combustion chamber with respect to the first and the second opening can be changed, as well as the longitudinal extent of the combustion chamber - based on the longitudinal extent of the piston seat - to be changed.
  • the design also makes possible the possibility of a variable compression.
  • the ignition of the fuel mixture takes place in a first operating state of the free-piston engine by auto-ignition and in a second operating state by activation of a detonator.
  • This refinement has the advantage that the fuel mixture ignites spontaneously in a first operating state, in particular the partial load operation, preferably by a homogeneous compression ignition.
  • a first operating state in particular the partial load operation
  • an ignition trigger is then used, as has already been explained in connection with the device in order to be able to control the combustion in the combustion chamber particularly well.
  • the discharge of exhaust gas takes place in a first operating state of the free-piston engine through the second opening and in a second operating state through a third opening.
  • This embodiment advantageously enables a transverse flushing during the first operating state, in particular a partial load operation, and a longitudinal flushing in a second operating state, in particular a high-load operation. It is preferred if in the second operating state, the exhaust gas exhaust both by the second opening as well as through the third opening takes place. Then a combined transverse / longitudinal flush can be used. During the first operating state, substantially no discharge of exhaust gas should take place through the third opening.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a free-piston engine, here in the embodiment as an opposed piston engine.
  • FIG. 2a shows a section in the longitudinal direction through the free-piston engine according to FIG. 1;
  • FIG. 2b shows a cross-section through the free-piston engine according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the free-piston engine according to FIG. 1 in a first operating state, the first piston being at a first bottom dead center and the second piston being at a second bottom dead center;
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through the free-piston engine according to FIG. 1 in a first operating state, the first piston being at a first top dead center and the second piston being at a second top dead center;
  • 5 shows a longitudinal section through the free-piston engine according to FIG. 1 in a second operating state, the first piston being at a third bottom dead center and the second piston being at a fourth bottom dead center;
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through the free-piston engine according to FIG. 1 in a second operating state, the first piston being at a third top dead center and the second piston being at a fourth top dead center;
  • FIG. 7 shows a longitudinal section through a free-piston engine according to a second embodiment in a first operating state, wherein the first piston is at a first bottom dead center and the second piston at a second bottom dead center.
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through the free-piston engine according to FIG. 7 in a first operating state, the first piston being at a first top dead center and the second piston being at a second top dead center;
  • FIG. 9 shows a section in longitudinal extension through the free-piston engine according to FIG. 7 in a second operating state, the first piston being at a third bottom dead center and the second piston being at a fourth bottom dead center;
  • FIG. 10 shows a section in longitudinal extension through the free-piston engine according to FIG. 7 in a second operating state, the first piston being at a third top dead center and the second piston being at a fourth top dead center;
  • 11 shows a longitudinal section through a free-piston engine according to a third embodiment
  • FIG. 13 shows a longitudinal section through a free-piston engine according to a fifth embodiment
  • FIG. 14 is a block diagram of a method of operating a two piston free piston engine according to FIG. 1.
  • FIG. 14 is a block diagram of a method of operating a two piston free piston engine according to FIG. 1.
  • Fig. 1 shows a three-dimensional, partially sectional view of a first embodiment of a free-piston engine 10.
  • the free-piston engine 10 is a variable-lift engine. This is made possible by the fact that the piston arranged in the piston receptacle 12, namely the first piston 14 and the second piston 16, are not connected with their corresponding piston rods 18, 19 with a crankshaft.
  • the first piston 14 and the second piston 16 are linearly displaceable and arranged such that between a first end face 20 of the first piston 14 and a second end face (not shown here) of the second piston 16, a combustion chamber 24 is formed.
  • the piston receptacle 12 has a side wall 26, along which the pistons 14, 16 can move.
  • the side wall 26 has a first opening 28, which here consists of several opening portions and which is designed for a supply of fresh air 30.
  • the first opening 28 may in particular - in relation to its direction of flow - be inclined in one direction (not shown), so that the incoming fresh air 30, which may be mixed with fuel, enters the combustion chamber 24 at a certain angle. In this way, the distribution of the fuel mixture and the flushing of the combustion chamber 24 can be optimized.
  • the side wall 26 also has a second opening 32, which here consists of several opening sections and which is designed for a discharge of exhaust gas 33.
  • the first and the second opening 28, 30 are arranged such that during a power stroke of the first piston 14, the first and the second opening 28, 32 are covered by the first piston 14. That is, during a power stroke, the first and second openings 28, 32 are opened and closed at a certain time and concealed at a different time.
  • first piston 14 and the second piston 16 preferably have approximately the same weight, wherein consideration is given in the consideration of the weight in particular all other parts that perform substantially the same movement as the pistons 14, 16.
  • a particularly advantageous mass balance can be achieved, which reduces or avoids the vibrations of the free-piston engine 10.
  • FIG. 2a the free piston engine 10 is shown in FIG. 1 in cross section in the longitudinal direction.
  • the figure illustrates what is to be understood in the context of this invention under the longitudinal extent 34 of the piston seat 12.
  • the direction of the longitudinal extent 34 coincides with the first stroke direction 36 of the first piston 14 and with the second stroke direction 38 of the second piston 16.
  • the first stroke direction 36 and the second stroke direction 38 are at an angle to each other, so that the longitudinal extent 34 of the piston seat 12 then consists of two segments which are at an angle to each other, wherein the first segment with the first Stroke direction 36 and the second segment coincides with the second stroke direction 38.
  • a first longitudinal extent 40 of the first opening 28 is then also considered with respect to the longitudinal extension 34 of the piston receptacle 12.
  • a second longitudinal extent 42 of the second opening 32 with respect to the longitudinal extent 34 of the piston seat 12 is considered.
  • the first center 44 of the first opening 28 and the second center 46 of the second opening 32 are shown.
  • the second opening 32 extends slightly farther to the right (with respect to the drawing) than the first opening 28. Therefore, the second center 46 also lies slightly farther to the right (with respect to the drawing) than the first center 44.
  • the reason for this is that when the first piston 14 moves backwards, the second opening 32 opens slightly earlier than the first opening 28, in other words.
  • the combustion chamber 24 has a backward movement of the first piston 14, ie in the direction of its first bottom dead center, first a connection to the second opening 32 and then to the first opening 28. In this way, the exhaust gas 33 under pressure in the combustion chamber 24 can only partially escape through the second opening 32 before the combustion chamber 24 with the first opening 28 is connected.
  • first opening 28 is arranged in such a way-with respect to the longitudinal extent 34 of the piston receptacle 12-that the first longitudinal extent 40 of the first opening 28 at least partially, here almost completely, coincides with the second longitudinal extent 42 of the second opening 32 , although the openings 28, 32 offset in the circumferential extent to each other, but this is irrelevant in a consideration with respect to the longitudinal extent 34.
  • first center 44 of the first opening 28 lies in the region of the second longitudinal extension 42 of the second opening 32.
  • FIG. 2b shows a transverse cross-section of the free-piston engine 10 along the line AA shown in FIG. 2a.
  • This figure serves to illustrate the circumferential extent 48 of the piston seat 12. It can be seen that the center 44 of the first opening 28 to the second center 46 of the second Opening 32 is at an angle ⁇ , which is 180 ° here. Since the openings 28, 32 each consist of a plurality of opening portions, the centers 44, 46 of the openings 28, 32 have been selected here as the centers of the respective group of opening portions.
  • FIG. 3 shows a cross section in the longitudinal direction through the free-piston engine 10 according to FIG. 1 in a first operating state, in particular in a partial load operation.
  • the previously introduced reference numerals for similar components continue to be used.
  • the figure shows a situation in which the first piston 14 and the second piston 16 are at the first bottom dead center UTl and at the second bottom dead center UT2.
  • the combustion chamber 24 fresh air 30 is supplied and that exhaust gas 33 is discharged.
  • a transverse flushing takes place here, ie from one side of the piston receptacle 12 to the other side of the piston receptacle 12, further arrows are drawn in which illustrate the flushing paths 50.
  • FIG. 4 shows a cross section in the longitudinal extension 34 through the free-piston engine 10 according to FIG. 1 in the first operating state.
  • the first piston 14 is now at its first top dead center OT1
  • the second piston 16 is at its second top dead center OT2.
  • the center of the combustion chamber 24 is located at a first position 52.
  • the position indication refers to the longitudinal extension 34 of the piston receiving means 12.
  • the combustion chamber 24 has a first longitudinal extent 54.
  • first piston 14, a first return device 51 and the second piston 16 is associated with a second return device 52, each of which is designed for, with the respective piston 14, 16th to cooperate and to move the respective piston after the combustion process in the direction of the respective top dead center OTl, OT2.
  • the restoring devices 51, 52 are each designed here as a gas spring chamber.
  • FIG. 5 shows a cross section in the longitudinal extension 34 through the free-piston engine 10 according to FIG. 1 in a second operating state, here a high-load operation, in particular full-load operation.
  • the first piston 14 is located at a third bottom dead center UT3, which in the embodiment shown here coincides with the first top dead center UT1.
  • the second piston 16 is located at a fourth bottom dead center UT4.
  • combustion chamber 24 is significantly larger than in the first operating state. This allows an increased absorption of fuel mixture and thus an increased power output.
  • flushing paths 50 in the second operating state, longer paths are established for the transverse flushing than in the first operating state.
  • first attempts it has surprisingly been found in first attempts that the rinsing action is still sufficient contrary to the previous view of the prior art.
  • the possibility of simple design measures to improve the rinsing effect in full load operation is, as will be explained in more detail below.
  • FIG. 6 shows a cross section in the longitudinal extension 34 through the free-piston engine 10 according to FIG. 1 in the second operating state.
  • the first piston 14 at a third top dead center OT3 and the second piston 16 at a fourth top dead center OT4.
  • the center of the combustion chamber 24 is now located at a second position 56 and has a second longitudinal extent 58, which is greater here than the first longitudinal extent 54.
  • the first position 53 of the combustion chamber 24 in the first operating state is to illustrate the displacement of the position of the combustion chamber 24 shown with a dashed arrow.
  • the longitudinal extension 54, 58 of the combustion chamber 24 and the position 53, 56 of the combustion chamber 24 are variable and in particular can be adjusted independently of each other. This allows not only an optimal adaptation of the combustion chamber 24 to changing amounts of fuel mixture but also a variability in the choice of compression. This not only different fuels can be used as an energy supplier for the free-piston engine 10, but can even be influenced for certain mixtures, whether these fuel mixtures are self-igniting or not.
  • FIG. 7 shows a cross section in longitudinal extent 34 through a second embodiment of a free-piston engine 10 in a first operating state, in particular in a part-load operation.
  • the second embodiment shown here differs from the first embodiment in that the side wall 26 has a third opening 60, which is designed for a discharge of exhaust gas 33 such that during a working stroke of the second piston 16, the third opening 60 is covered or in certain operating conditions is hidden.
  • the third opening 60 is configured as a slot or, if the opening 60 consists of a plurality of opening sections, designed as a plurality of slot sections.
  • the term "concealed” should be understood that the third opening 60 is permanently obscured by the second piston 16 in certain operating conditions. That is, in certain operating conditions, in particular the partial load operation, the second piston 16 does not release the third opening 60, but holds it during the obscured throughout the working stroke. The third opening 60 does not perform its intended function in these particular operating conditions.
  • FIG. 8 shows a cross section in the longitudinal extension 34 through the free-piston engine 10 according to FIG. 7 in the first operating state.
  • the situation shown here during the first operating state essentially corresponds to the situation of the free-piston engine 10 according to the first embodiment, which is shown in FIG. 4. It should therefore be made to the explanations there.
  • FIG. 9 shows a cross section in longitudinal extension through the free-piston engine 10 according to FIG. 7 in a second operating state, here a high-load operation, in particular full-load operation.
  • the first piston 14 is located at a third bottom dead center UT3
  • the second piston 16 is located at a fourth bottom dead center UT4.
  • Rinse paths 50 now turn from the first opening 28 to the second opening 32 and from the first opening 28 to the third opening 60. Therefore, the combustion chamber 24 can be particularly well rinse in the second operating state.
  • FIG. 10 shows a cross section in the longitudinal extent 34 through the free-piston engine 10 according to FIG. 7 in the second operating state.
  • the situation shown corresponds essentially to the situation in FIG. 6, so that reference is made to the explanations there.
  • the first piston 14 is located at a third top dead center OT3, and the second piston 16 is located at a fourth top dead center OT4.
  • FIG. 11 shows a third embodiment of a free-piston engine 10 with the following additional features which, apart from the combination shown, can also be used in any other combinations of two or more features and also alone:
  • a detonator 70 is arranged, in particular a spark plug.
  • a detonator 70 allows a particularly well controllable combustion in the combustion chamber 24th
  • a further firing trigger 70 is arranged along the longitudinal extent 34 of the piston receptacle 12, here two further firing triggers 70.
  • the further firing trigger 70 or the further firing triggers 70 always allow good combustion in the combustion chamber 24, even if the position 53, 56 of the combustion chamber 24 changes depending on the respective operating state.
  • the ignition trigger 70 is preferably used, which is located as close as possible to the center of the combustion chamber 24.
  • the free-piston engine 10 has an injection system 72 with an injection nozzle 74, through which fuel is injected into the combustion chamber 24.
  • the injection liner 72 allows a particularly accurate metering of the amount of fuel.
  • the fresh air 30 is guided through a fresh air supply pipe 76 into the combustion chamber 24.
  • an exhaust pipe 78 is arranged, in particular an exhaust gas resonance pipe, is discharged through the exhaust gas 33 from the combustion chamber 24.
  • FIG. 12 shows a fourth embodiment of a free-piston engine 10 with further special features which, apart from the combination shown, can also be used in any other combinations of two or more features and also alone:
  • Two detonators 70 are disposed on opposite sides of the piston housing 12. As a result, a particularly rapid release of energy in the combustion chamber 24 is achieved.
  • the side wall 26 has a fourth opening 80, which is designed for a discharge of exhaust gas 33 such that during a working stroke of the second Piston 16, the fourth opening 80 is covered by the second piston 16 or concealed in certain operating conditions.
  • an exhaust pipe 78 in particular an exhaust gas resonance pipe, is connected in each case.
  • FIG. 13 shows a partially cutaway view of a fifth embodiment of a free piston engine 10.
  • the free piston engine 10 has a first linear generator 82 coupled to the first piston 14 and a second linear generator 84 coupled to the second piston 16.
  • the coupling is in each case designed as a rigid connection.
  • the free-piston engine 10 is associated with a control device 86 which performs one or more of the following control functions:
  • the first top dead center OT1 of the first piston 14 and / or the second top dead center OT2 of the second piston 16 are varied.
  • the first top dead center OT1 of the first piston 14 and the second top dead center OT2 of the second piston 16 are varied such that a position of the combustion chamber 24 - with respect to the longitudinal extent 34 of the piston receptacle 12 - is variable.
  • the first top dead center OT1 of the first piston 14 and the second top dead center OT2 of the second piston 16 are varied in such a way that a longitudinal extension 52, 56 of the combustion chamber 24 is variable with respect to the longitudinal extension 34 of the piston receiver 12.
  • the required connection of the individual elements of the free piston engine 10 to the control device 86 for controlling this and the subsequent functions via control lines 114th also has the following features, which can be used except in the combination shown in any other combinations of two or more features and also in isolation:
  • the first return device 51 which is configured as a gas spring chamber, is associated with a controllable valve 88, with which the pressure in the gas spring chamber can be increased or decreased.
  • the second return device 52 which is designed as a gas spring chamber, a second controllable valve 90 is associated with the pressure in the gas spring chamber can be increased or decreased.
  • the fresh air 28 is compressed by a loader 92, in particular a pressure wave supercharger.
  • An injection system 72 controls timing and / or amount of injection.
  • An ignition system 94 controls the function of the ignition trigger 70.
  • an exhaust gas turbocharger 96 is arranged, which cooperates in particular with the loader 92.
  • the first rotor 98 of the first linear generator 82 has a first piston section 100 which delimits a third restoring device 102.
  • the third return device 102 is designed as a gas spring chamber, the pressure of which can be increased or decreased by a third controllable valve 104.
  • the second rotor 106 of the second linear generator 84 has a second piston section 108 which delimits a compressor chamber 110 of a compressor 112.
  • Connected to the compressor room 110 are a first compressor valve 116 and a second compressor valve 118.
  • the first compressor valve 116 serves to supply a fluid, in particular air, into the compressor chamber 110.
  • the second compressor valve 118 serves to discharge the compressed fluid into a reservoir 120.
  • the second piston portion 108 may limit a return device and that also the first piston portion 100 may define a compressor space.
  • a query S19 now takes place in which it is ascertained which operating state is desired or which power requirement is set for the free-piston engine 10.
  • This query is simplified here as a distinction shown, in which a distinction is made between a first operating state, the partial load operation, and a second operating state, the high load operation. It is particularly preferred if a plurality of different operating states is assigned to a multiplicity of different parameters or calculation formulas with which a multiplicity of different power requirements or different operating states can be set as well as possible.
  • the illustration shows that the method is continued as a function of the operating state via a first path B1 (first operating state) or via a second path B2 (second operating state).
  • the invention shows a total free piston engine and a corresponding method, which allow an advantageous partial load operation in the simplest embodiment.
  • an advantageous partial load operation in the simplest embodiment.
  • an advantageous high-load operation can also be achieved.
  • the invention offers both a variable stroke, a variable compression and also variable Control times, so that a particularly good adaptation to the respective operating state and thus a particularly good efficiency can be achieved.

Abstract

Freikolbenmotor (10) mit variablem Hub, aufweisend eine Kolbenaufnahme (12), in der ein erster Kolben (14) und ein zweiter Kolben (16) linear verlagerbar derart angeordnet sind, dass zwischen einer ersten Stirnfläche (20) des ersten Kolbens (14) und einer zweiten Stirnfläche (22) des zweiten Kolbens (16) ein Brennraum (24) ausgebildet ist, wobei die Kolbenaufnahme (12) eine Seitenwand (26) aufweist, entlang derer sich die Kolben (14, 16) verlagern können, und wobei die Seitenwand (26) eine erste Öffnung (28), die für eine Zufuhr von Frischluft (30) ausgebildet ist, und eine zweite Öffnung (32) aufweist, die für eine Abfuhr von Abgas (33) ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Öffnung (28, 32) derart angeordnet sind, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens (14) die erste und die zweite Öffnung (28, 32) vom ersten Kolben (14) verdeckt werden. Ferner betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors (10).

Description

Freikolbenmotor mit variablem Hub und Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit variablem Hub, insbesondere Doppelkolbenmotor, bevorzugt Gegenkolbenmotor, aufweisend eine Kolbenaufnahme, in der ein erster Kolben und ein zweiter Kolben linear verlagerbar derart angeordnet sind, dass zwischen einer ersten Stirnfläche des ersten Kolbens und einer zweiten Stirnfläche des zweiten Kolbens ein Brennraum ausgebildet ist, wobei die Kolbenaufnahme eine Seitenwand aufweist, entlang derer sich die Kolben verlagern können, und wobei die Seitenwand eine erste Öffnung, die für eine Zufuhr von Frischluft ausgebildet ist, und eine zweite Öffnung aufweist, die für eine Abfuhr von Abgas ausgebildet ist. Die Eründung Detrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors, insbesondere Doppelkolbenmotors, bevorzugt eines Gegenkolbenmotors.
Ein solcher Freikolbenmotor mit variablem Hub und ein solches Verfahren sind aus der WO 03/091556 Al bekannt.
Ein Freikolbenmotor weist einen Antriebsteil und einen Arbeitsteil auf. Durch einen Expansionsprozess in einem Expansionsraum des Arbeitsteils wird der Kolben in der Kolbenaufnahme verlagert. Bei dem Expansionsprozess handelt es sich insbesondere um die Verbrennung eines Brennstoffgemisches, wodurch chemische Energie freigesetzt wird. Diese chemische Energie wird zumindest teilweise in kinetische Energie umgesetzt, nämlich in die Bewegung des Kolbens. Es ist für den Freikolbenmotor charakteristisch, dass diese kinetische Energie des Kolbens im Arbeitsteil nicht mechanisch ausgekoppelt wird, also nicht über mechanische Triebwerke, wie es zum Beispiel bei einem Kurbeltrieb der Fall wäre. Stattdessen erfolgt die Leistungsabgabe nicht-mechanisch, wobei der Arbeitsteil insbesondere als Pumpe, Verdichter oder Generator ausgeführt ist.
Der Freikolbenmotor ist bisher häufig dafür verwendet worden, einen Kompressor anzutreiben. Dabei wird in einem Druckraum ein Medium verdichtet, welches dann unter Druck in einen Druckspeicher abgeführt wird. Ferner sind Freikolbenmotoren realisiert worden, bei denen die freigesetzte chemische Energie in hydraulische Arbeit umgesetzt wird.
Wenngleich sich die vorliegende Erfindung unabhängig vom Wirkprinzip des Arbeitsteils anwenden lässt, richtet sich das Augenmerk der nachfolgenden Betrachtungen auf einen Freikolbenmotor mit integriertem Lineargenerator zur Erzeugung von elektrischer Energie, der auch als Freikolbengenerator bezeichnet wird. Hier haben sich in der Vergangenheit vielversprechende Ansätze gezeigt, die daraufhin deuten, dass ein Freikolbenmotor mit integriertem Lineargenerator für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sein könnte und zu einer serientauglichen Reife geführt werden könnte. Daher stellen die nachfolgenden Erläuterungen auf den Freikolbengenerator ab, auch wenn sich die vermittelten Lehren unmittelbar auch auf Freikolbenmotoren übertragen lassen, deren Arbeitsteil auf einem anderen Wirkprinzip beruht und insbesondere als Pumpe oder Verdichter ausgeführt ist.
Ein Freikolbenmotor kann aufgrund der fehlenden mechanischen Anbindung, also insbesondere aufgrund einer fehlenden Kurbelwelle, eine variable Einstellung des Hubraums und der Verdichtung bieten. Dies ermöglicht sowohl für den Volllastbereich als auch für den Teillastbereich eine überdurchschnittliche Kraftstoffeffizienz bei hoher Leistungsdynamik und eine kontrollierte, emissionsarme Verbrennung. Die variable Verdichtung ermöglicht zudem die Verwendung unterschiedlichster Kraftstoffe und Kraftstoffgemische (Flexfuel).
Weitere Vorteile des Freikolbenmotors sind seine kompakte, einfache Bauweise und seine Modularität, die eine Leistungsvervielfachung durch eine einfache Kopplung mehrerer Module ermöglicht. Dabei bietet der modulare Ansatz insbesondere die Möglichkeit, die Kostenziele und die Anforderungen an die Antriebstechnik bei Automobilen zu erfüllen. Die Technologie des Freikolbenmotors lässt sich in vielen weiteren Anwendungsfeldern, wie der stationären Energieversorgung oder für den Einsatz als Mobilhydraulikeinheit, verwenden. Die kompakten Abmessungen und die Skalierbarkeit bezüglich der Leistungsabgabe ermöglichen weitere Anwendungen, beispielsweise als Notstromaggregat oder als Hilfsenergieversorgung (Auxiliary Power Unit, APU).
Die eingangs genannte WO 03/091556 Al zeigt einen fortschrittlichen Freikolbenmotor mit zwei Kolben auf, der bei Volllast einen großen Expansionsraum beziehungsweise Brennraum zur Verfügung stellen kann und dahingegen im Teillastbetrieb lediglich einen deutlich geringeren Brennraum verwendet. Durch eine besondere Ansteuerung des Freikolbenmotors lassen sich die gewünschten Umkehrpunkte beziehungsweise Totpunkte, die Kolbengeschwindigkeit und die Verdichtung einstellen. Das Konzept dieses Freikolbenmotors hat sich in ersten Versuchen als vorteilhaft erwiesen. Dabei hat sich bei ersten Untersuchungen herausgestellt, dass - obwohl der Freikolbenmotor prinzipiell auch einen 4-Takt-Betrieb ermöglicht - ein 2-Takt-Betrieb sowohl vorteilhaft für den Betrieb des Freikolbenmotors ist als auch Kostenvorteile bei der Herstellung bringt. Beim 2-Takt-Betrieb stellen jedoch das Erzielen eines guten Wirkungsgrads und guter Abgaswerte eine stete Herausforderung dar.
Zu dem Konzept von Motoren, die als Doppelkolbenmotor oder als Gegenkolbenmotor ausgestaltet sind, sei auf die Druckschrift US 7,004,120 verwiesen, die einen Gegenkolbenmotor zeigt.
Mit dem Freikolbenmotor, der in der WO 03/091556 Al gezeigt ist, konnte bereits ein Konzept aufgezeigt werden, das hinsichtlich seiner Einstellbarkeit und Variabilität herkömmlichen Verbrennungsmotoren überlegen ist. Um den Kreis der Anwendungen für den Freikolbenmotor zu erweitern, besteht der Wunsch, den Freikolbenmotor konstruktiv zu vereinfachen und damit die Herstellungskosten zu senken.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Freikolbenmotor, insbesondere einen Doppelkolbenmotor, bevorzugt einen Gegenkolbenmotor, aufzuzeigen, der preisgünstig herzustellen ist und, gerade im Teillastbereich, einen guten Wirkungsgrad und gute Abgaswerte bietet.
Diese Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch einen eingangs genannten Freikolbenmotor gelöst, insbesondere durch einen Doppelkolbenmotor, bevorzugt einen Gegenkolbenmotor, bei dem die erste und die zweite Öffnung derart angeordnet sind, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens die erste und die zweite Öffnung vom ersten Kolben verdeckt werden.
Dadurch stellt die Erfindung insbesondere sicher, dass aufgrund der Position des ersten Kolbens zum Zeitpunkt der Zündung der Brennraum weder eine Verbindung zur ersten Öffnung noch eine Verbindung zur zweiten Öffnung hat. Der Begriff "verdeckt" bedeutet daher insbesondere, dass aus der Sicht des Brennraums die erste und die zweite Öffnung nicht zu sehen sind. Es findet dann kein Gasaustausch zwischen dem Brennraum und der jeweiligen Öffnung statt.
Da die Zufuhr von Frischluft und die Abfuhr von Abgas durch den ersten Kolben gesteuert wird, kann nun auf die komfortable Ventilsteuerung, wie sie in der WO 03/091556 Al vorgeschlagen wurde, verzichtet werden. Außerdem führt die Anordnung der ersten und der zweiten Öffnung dazu, dass statt der bei anderen Gegenkolbenmotoren bekannten Längsspülung - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - nun eine Querspülung verwendet wird.
Dies bietet überraschende Vorteile beim Spülen des Brennraums, insbesondere im Teillastbereich, die im Stand der Technik bei Freikolbenmotoren mit zwei Kolben, insbesondere Doppelkolbenmotoren, bevorzugt Gegenkolbenmotoren, bislang nicht bekannt waren. Unter der Längserstreckung der Kolbenaufnahme soll dabei insbesondere die Richtung verstanden werden, entlang derer sich der erste und der zweite Kolben während des Betriebs verlagern.
Der Stand der Technik ist davon ausgegangen, dass man einen Motor im Hinblick auf sein Volllastverhalten auslegen muss. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass es vorteilhafter ist, eine Optimierung bezogen auf einen Teillastbetrieb vorzunehmen und dabei etwaige Nachteile beim Hochlastbetrieb in Kauf zu nehmen oder aber für eine Optimierung des Volllastbetriebs zusätzliche konstruktive Maßnahmen zu ergreifen. Unter dem Begriff des Hochlastbetriebs soll ein Betriebszustand verstanden werden, bei dem der Motor mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70 %, und insbesondere mindestens 90 % seiner maximal verfügbaren Leistung abgibt. Der Hochlastbetrieb umfasst also auch den Volllastbetrieb.
Dies ist eine überraschende Erkenntnis, die im Stand der Technik bislang unbekannt war. Hier war es bei Gegenkolbenmotoren nämlich stets der Fall, dass für die Abfuhr des Abgases entweder eine Längsspülung verwendet wurde, um für den Volllast- betrieb eine vollständige Spülung des Brennraums zu erzielen, oder es wurde ein 4- Takt-Betrieb mit Ventilsteuerung verwendet, um gut kontrolliert in einem zusätzlichen Arbeitshub die Abfuhr von Abgas zu bewirken. Der erfindungsgemäße Freikolbenmotor benötigt für die Realisierung seiner Vorteile aber keine Ventilsteuerung und ist auch nicht auf den zusätzlichen Arbeitshub des 4-Takt-Betriebs angewiesen, sondern kann bei jedem Arbeitshub eine Verbrennung durchführen.
Im Hinblick auf die Zufuhr von Frischluft sei darauf hingewiesen, dass, je nach Ausgestaltung des Freikolbenmotors, die Frischluft beim Einbringen in den Brennraum mit Brennstoff, z.B. Benzin oder Diesel, vermischt sein kann. Es ist aber auch möglich, den Brennstoff getrennt von der Frischluft in den Brennraum einzubringen, insbesondere mittels einer Einspritzdüse. Außerdem können der Frischluft weitere Zusätze beigemischt sein, die beispielsweise die Zündbereitschaft des Brennstoff- gemischs erhöhen.
Die erste und die zweite Öffnung sind bevorzugt als Schlitz ausgeführt. Außerdem können die erste und die zweite Öffnung jeweils aus mehreren Öffnungsabschnitten bestehen, wobei aber wiederum jeder der ersten Öffnungsabschnitte der Zufuhr von Frischluft dient und jeder der zweiten Öffnungsabschnitte der Abfuhr von Abgas dient. Zwar ist es grundsätzlich möglich, in oder an den Öffnungen zusätzliche Steuerelemente anzuordnen, insbesondere Ventile, doch wird es derzeit im Hinblick auf Kostenaspekte als vorteilhaft angesehen, das Öffnen und Schließen der Öffnungen mittels des ersten Kolbens zu steuern. Die erste Öffnung ist insbesondere direkt mit einer Frischluftzufuhrleitung oder mit einer Brennstoffgemischzufuhrleitung verbunden, und die zweite Öffnung ist insbesondere direkt mit einer Abgasleitung, besonders bevorzugt mit einem Resonanzrohr, verbunden.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn die zweite Öffnung - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - näher am Brennraum angeordnet ist. Dies führt dazu, dass bei der Bewegung des ersten Kolbens von seinem ersten oberen Totpunkt zu seinem ersten unteren Totpunkt erst eine Verbindung zwischen Brennraum und zweiter Öffnung und dann, zeitlich geringfügig versetzt, eine Verbindung zwischen Brennraum und zweiter Öffnung hergestellt wird. Dadurch kann zumindest ein Teil des unter Druck stehenden Abgases im Brennraum durch die zweite Öffnung entweichen, bevor der Brennraum auch eine Verbindung zur ersten Öffnung erhält. Die erste Öffnung kann auch als Einlassöffnung und die zweite Öffnung auch als Auslassöffnung bezeichnet werden.
Insgesamt bietet die Erfindung den Vorteil, dass ein Freikolbenmotor mit zwei Kolben, die einen gemeinsamen Brennraum begrenzen, gebaut werden kann, der einerseits kostengünstig ist und andererseits für einen Teillastbetrieb optimiert ist. Dennoch hält der erfindungsgemäße Freikolbenmotor die Option offen, weitere konstruktive Maßnahmen für eine Optimierung des Volllastbetriebs zuzulassen, wie sie noch im weiteren Verlauf dieser Beschreibung erläutert werden.
Damit ist die eingangs genannte Aufgabe vollständig gelöst.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und die zweite Öffnung derart angeordnet, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens die zweite Öffnung zumindest teilweise vom ersten Kolben verdeckt ist, wenn die erste Öffnung vollständig vom ersten Kolben verdeckt ist.
Dies ist vorteilhaft, um eine gute zeitliche Steuerung des Gaswechsels bzw. der Spülung, also des Austauschs von Abgas durch Frischluft oder ein Brennstoffgemisch, zu erzielen. Diese Ausgestaltung kann insbesondere vorteilhaft für den oben genannten Aspekt verwendet werden, dass nämlich zunächst zumindest ein Teil des Abgases aus dem Brennraum entweichen soll, bevor die Verbindung mit der Frischluftzufuhr bzw. zu der Brennstoffgemischzufuhr hergestellt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Öffnung derart angeordnet, dass - bezogen auf eine Längserstreckung der Kolbenaufnahme - eine erste Längserstreckung der ersten Öffnung - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - zumindest teilweise mit einer zweiten Längserstreckung der zweiten Öffnung - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - zusammenfällt.
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders vorteilhaften zeitlichen Ablauf des Gaswechsels. Da bei dieser speziellen Betrachtung der Position der Öffnungen nur die Position im Hinblick auf die Längserstreckung relevant ist, bleibt ein Versatz der Öffnungen in Richtung der Umfangserstreckung unbeachtet.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt ein erster Mittelpunkt der ersten Öffnung im Bereich einer zweiten Längserstreckung der zweiten Öffnung - bezogen auf eine Längserstreckung der Kolbenaufnahme.
Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine vorteilhafte Anordnung der beiden Öffnungen im Hinblick auf den Spülvorgang des Brennraums.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein erster Mittelpunkt der ersten Öffnung zu einem zweiten Mittelpunkt der zweiten Öffnung um einen Winkel zwischen 60° und 300°, bevorzugt zwischen 90° und 270°, besonders bevorzugt zwischen 120° und 240°, - bezogen auf eine Umfangserstreckung der Kolbenaufnahme - versetzt angeordnet.
Wenngleich es grundsätzlich möglich ist, die erste und die zweite Öffnung - bezogen auf eine Umfangserstreckung der Kolbenaufnahme - verhältnismäßig nahe nebeneinander anzuordnen und dann eine Umkehrspülung durchzuführen, wird es als vorteilhaft angesehen, die beiden Öffnungen um den genannten Winkel zu versetzen und dadurch eine vorteilhafte Querspülung zu erzielen. Wenn die erste Öffnung und/oder die zweite Öffnung aus mehreren Öffnungsabschnitten bestehen, kann für die Bestimmung des Winkels zwischen der Gruppe von ersten Öffnungsabschnitten und der Gruppe von zweiten Öffnungsabschnitten die Mitte der jeweiligen Gruppen herangezogen werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem ersten Kolben eine erste Rückstelleinrichtung zugeordnet, die dafür ausgebildet ist, mit dem ersten Kolben zusammenzuwirken und den ersten Kolben nach einem Verbrennungsvorgang und nach Erreichen des ersten unteren Totpunkts in Richtung eines ersten oberen Totpunkts des ersten Kolbens zu bewegen.
Auf diese Weise kann die Einstellung des ersten oberen Totpunkts des ersten Kolbens beeinflusst oder aktiv vorgenommen werden. Als Rückstelleinrichtung sind dabei prinzipiell alle Mittel geeignet, die bewirken, dass der erste Kolben nicht über den gewünschten ersten unteren Totpunkt hinaus fährt und dass der erste Kolben nach dem Erreichen des ersten oberen Totpunkts in Richtung des ersten unteren Totpunkts bewegt wird.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Rückstelleinrichtung um eine Gasfeder, die zumindest einen Teil der kinetischen Energie aufnimmt, die der erste Kolben durch die Verbrennung im Brennraum erhalten hat. Dadurch nimmt die Gasfeder Energie auf, mit der sie den ersten Kolben dann ausgehend von seinem ersten unteren Totpunkt wieder in Richtung seines ersten oberen Totpunkts bewegen kann.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Gasfeder an der Rückseite des Kolbens ausgebildet ist, d.h., der Raum, der von der Rückseite des ersten Kolbens und der Kolbenaufnahme gebildet wird, dient als Gasfeder. Es ist aber auch bevorzugt möglich, den ersten Kolben mit einer ersten Kolbenstange zu versehen, die dann außerhalb der Kolbenaufnahme mit einer Gasfeder zusammenwirkt. Die Gasfeder kann dabei insbesondere über einen Ventilmechanismus hinsichtlich ihrer Federkraft eingestellt werden.
Wenn der erste Kolben mit einem ersten Läufer eines Lineargenerators verbunden ist, kann der Lineargenerator außerdem zeitlich begrenzt als Linearmotor eingesetzt werden, um die Bewegung des ersten Läufers und damit die Bewegung des ersten Kolbens zu beeinflussen. Je nach Ausführungsform ist es bevorzugt, die Rückstell- einrichtung als eine Kombination von Gasfeder und zeitweisem Motorbetrieb des Lineargenerators zu realisieren. Bei diesem Motorbetrieb wird der Lineargenerator dann als Linearmotor angetrieben, um den jeweiligen Kolben zu bewegen.
Alternativ dazu ist dem zweiten Kolben eine zweite Rückstelleinrichtung zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, mit dem zweiten Kolben zusammenzuwirken und den zweiten Kolben nach einem Verbrennungsvorgang in Richtung eines zweiten oberen Totpunkts des zweiten Kolbens zu bewegen. Zudem ist es insbesondere bevorzugt, wenn sowohl dem ersten Kolben eine erste Rückstelleinrichtung als auch dem zweiten Kolben eine zweite Rückstelleinrichtung zugeordnet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Freikolbenmotor eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt des ersten Kolbens und/oder einen zweiten oberen Totpunkt des zweiten Kolbens zu variieren.
Dadurch können auf einfache Weise verschiedene Betriebszustände des Freikolbenmotors eingestellt werden, dabei insbesondere ein erster Betriebszustand, bei dem der Freikolbenmotor im Teillastbetrieb läuft und ein zweiter Betriebszustand, bei dem der Freikolbenmotor im Hochlastbetrieb, insbesondere Volllastbetrieb, läuft. Die gewünschte Variation kann vorzugsweise mittels der zuvor genannten Rückstelleinrichtung bewirkt werden. Es ergeben sich aber weitere Einstellmöglichkeiten, wenn man bevorzugt die Kraftstoffmenge, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Aufladung, variiert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Freikolbenmotor eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt des ersten Kolbens und einen zweiten oberen Totpunkt des zweiten Kolbens derart zu variieren, dass eine Position des Brennraums - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - variabel ist. Diese Möglichkeit der Steuerung ist besonders vorteilhaft hinsichtlich der Einstellungen, die bei einem ersten Betriebszustand, insbesondere einem Teillastbetrieb, und einem zweiten Betriebszustand, insbesondere einem Hochlastbetrieb, vorgenommen werden sollen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn sich die Position des Brennraums, insbesondere das Zentrum des Brennraums, bei reduzierter Last näher an der ersten bzw. der zweiten Öffnung befindet - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - als dies beim Hochlastbetrieb der Fall ist. Es kann dann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass trotz eines geringeren Hubs im Teillastbetrieb die erste und die zweite Öffnung stets für einen Gaswechsel freigegeben werden. Diese Art der Ansteuerung kann entweder alleine oder in Kombination mit der oben beschriebenen Variation der oberen Totpunkte kombiniert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Freikolbenmotor eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt des ersten Kolbens und einen zweiten oberen Totpunkt des zweiten Kolbens derart zu variieren, dass eine Längserstreckung des Brennraums - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - variabel ist.
Mittels dieser Ausgestaltung kann besonders gut dem Umstand Rechnung getragen werden, dass beim Teillastbetrieb eine geringere Menge an Brennstoffgemisch verbrannt wird als beim Volllastbetrieb. Während herkömmliche Systeme aufgrund ihrer Verbindung zu einer Kurbelwelle im Teillastbetrieb einen konstant großen Brennraum mit einer geringeren Menge an Brennstoffgemisch füllen, kann bei dieser Ausgestaltung die Größe des Brennraums an die jeweilige Lastanforderung angepasst werden und so eine Optimierung des Wirkungsgrads erzielt werden.
Femer ist es vorteilhaft, dass durch die Einstellbarkeit der Längserstreckung des Brennraums bei gleichen Kraftstoffmengen verschiedene Verdichtungen eingestellt werden können. Unter der Annahme einer konstanten Kraftstoffmenge ergibt sich bei einer ersten Längserstreckung des Brennraums eine erste Verdichtung, wenn beide Kolben ihren oberen Totpunkt erreicht haben, und ergibt sich bei einer zwei- ten, kleineren Längserstreckung eine zweite, größere Verdichtung. Außerdem ermöglicht der Freikolbenmotor auch die Verwendung von variablen Steuerzeiten.
Diese Art der Ansteuerung kann entweder alleine eingesetzt oder in Kombination mit einer oder mehreren der zuvor genannten Ansteuermöglichkeiten kombiniert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Seitenwand ein Zündauslöser derart angeordnet, dass der Zündauslöser zu einem Zeitpunkt, wenn der erste Kolben an einem ersten oberen Totpunkt ist und der zweite Kolben an einem zweiten oberen Totpunkt ist, bei einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors keine Wirkverbindung zum Brennraum hat.
Dadurch lässt sich folgende vorteilhafte Betriebsweise realisieren. Insbesondere beim Hochlastbetrieb ist der Verbrennungsvorgang besonders kritisch, da eine relativ große Menge Brennstoffgemisch möglichst gleichmäßig verbrannt werden muss. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Zündauslöser zumindest im Wesentlichen in der Nähe des Zentrums des Brennraums angeordnet ist. Während bislang die Lehre vorherrschte, dass aufgrund der Position des Zündauslösers beim Hochlastbetrieb gleichzeitig auch ein minimal möglicher Brennraum für den Teillastbetrieb vorgegeben ist, weil der Zündauslöser auch beim Teillastbetrieb noch in Verbindung mit dem Brennraum stehen muss, wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass auch ein Teillastbetrieb möglich ist, bei dem der Zündauslöser keine Verbindung bzw. Wirkverbindung zum Brennraum hat.
Mit anderen Worten ist es dann beim Teillastbetrieb nicht mehr erforderlich, dass das Brennstoffgemisch mittels des Zündauslösers gezündet werden muss. Stattdessen wird vorgeschlagen, im Teillastbetrieb die Zündung des Brennstoffgemisches ohne den Zündauslöser einzuleiten. Dies kann bevorzugt durch das Hinzufügen von Zusatzstoffen erfolgen, die die Zündwilligkeit des Brennstoffgemisches erhöhen, oder insbesondere bevorzugt durch eine Erhöhung der Verdichtung des Brennstoffgemischs, wodurch ein Brennstoffgemisch, das üblicherweise nicht selbst zündet, zu einem selbstzündenden Brennstoffgemisch wird. Dabei ist insbesondere eine homogene Kompressionszündung (homogeneous Charge compression ignition, HCCI) vorteilhaft.
Der Zündauslöser kann in vielfältiger Weise realisiert werden, insbesondere durch eine oder mehrere Zündkerzen, eine Zündkerzenbank oder als Laserzünder. Werden mindestens zwei Zündauslöser verwendet, so ist es außerdem bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung möglich, einen ersten Zündauslöser während des Hochlastbetriebs zu verwenden und einen zweiten Zündauslöser, der an einer anderen Stelle - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - angeordnet ist, für den Teillastbetrieb zu verwenden. Dabei ist es ferner bevorzugt, wenn während des Hochlastbetriebs die Verbrennung des Brennstoffgemischs durch den ersten Zündauslöser vom zweiten Zündauslöser unterstützt wird.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn mehrere Zündauslöser entlang der Umfangserstreckung der Kolbenaufnahme versetzt angeordnet sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kolben mit einem ersten Lineargenerator und/oder der zweite Kolben mit einem zweiten Lineargenerator gekoppelt.
Dies stellt eine besonders vorteilhafte Möglichkeit dar, die kinetische Energie des ersten und/oder des zweiten Kolbens, die auf sie während des Verbrennungsvorgangs übertragen wird, auszukoppeln. Zwar gibt es, wie eingangs erläutert, auch andere Möglichkeiten der Auskopplung, doch wird die Auskopplung als elektrische Energie derzeit als vorteilhaft angesehen. Bezüglich der Auskopplung der elektrischen Energie wird hiermit auf die eingangs genannte WO 03/091556 Al verwiesen, deren gesamter Inhalt im Hinblick auf den Aufbau des Lineargenerators und die Auskopplung der kinetischen Energie als elektrische Energie durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen wird. Diese Bezugnahme bezieht sich insbesondere auf die Offenbarung von Seite 21, Zeile 17 bis Seite 24, Zeile 27.
Es soll daher an dieser Stelle lediglich kurz auf die prinzipielle Funktionsweise eines Lineargenerators eingegangen werden. Der Lineargenerator weist einen Läufer auf, an dem ein Kolben, hier der erste oder zweite Kolben, angeordnet ist. Entlang der Hubrichtung sind an dem Läufer mehrere Magnete angeordnet, die mit einem Stator zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirken. Der Stator weist eine Vielzahl von Wicklungen auf, in denen mittels der Magnete ein Strom induziert wird, die sich bei einer Bewegung des Läufers an den Wicklungen vorbei bewegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kolben und/oder der zweite Kolben mit einem Verdichter gekoppelt.
Auf diese Weise kann alternativ oder zusätzlich die durch den Verbrennungsprozess gewonnene Energie ausgekoppelt werden. Außerdem ist es möglich, Ventile des Verdichters zu schließen und dann den Verdichter als Gasfeder zu nutzen. Vorteilhafterweise wird die Verwendung des Verdichters mit der oben beschriebenen Verwendung eines Lineargenerators kombiniert. Es kann aber auch der Verdichter alleine zur Energieauskopplung verwendet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Seitenwand eine dritte Öffnung auf, die für eine Abfuhr von Abgas derart ausgebildet ist, dass während eines Arbeitshubs des zweiten Kolbens die dritte Öffnung vom zweiten Kolben verdeckt wird oder in bestimmten Betriebszuständen verdeckt bleibt.
Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass mittels des zweiten Kolbens eine weitere Öffnung, nämlich die dritte Öffnung, angesteuert werden kann, um die Abfuhr von Abgas durchzuführen. Die dritte Öffnung ist dabei - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - bevorzugt so weit von der ersten und der zweiten Öffnung entfernt, dass sich alternativ oder zusätzlich zu der Querspülung zwischen erster und zweiter Öffnung eine Längsspülung zwischen erster und dritter Öffnung einstellt. Dadurch lässt sich auch beim Hochlastbetrieb eine gute Spülung des Brennraums erzielen.
Die Besonderheit liegt außerdem darin, dass die Optimierung für den Teillastbetrieb vollständig bestehen bleiben kann, wenn man während eines ersten Betriebszustands, hier dem Teillastbetrieb, den zweiten Kolben derart ansteuert, dass die dritte Öffnung während eines vollständigen Arbeitshubs keine Verbindung zum Brennraum erhält. Steigt die Lastanforderung nun an, so wird der zweite untere Totpunkt des zweiten Kolbens derart verlagert, dass bei der Bewegung des zweiten Kolbens die dritte Öffnung freigegeben wird. Einerseits wird dadurch die Aufnahme einer größeren Menge von Brennstoffgemisch ermöglicht, andererseits wird die dritte Öffnung freigegeben, so dass nun eine Längsspülung zusätzlich oder alternativ zur Querspülung vorgenommen werden kann.
Diese Ausführungsform verbindet in vorteilhafter Weise das optimierte Verhalten für den Teillastbetrieb und erlaubt außerdem ein gutes Verhalten beim Hochlastbetrieb.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Kolbenaufnahme mit einer Seitenwand, Bereitstellen eines ersten Kolbens und eines zweiten Kolbens in der Kolbenaufnahme, so dass zwischen einer ersten Stirnfläche des ersten Kolbens und einer zweiten Stirnfläche des zweiten Kolbens ein Brennraum ausgebildet ist, in der Seitenwand, Bereitstellen einer ersten Öffnung, die für eine Zufuhr von Frischluft ausgebildet ist, und einer zweiten Öffnung, die für eine Abfuhr von Abgas ausgebildet ist, Zuführen von Frischluft durch die erste Öffnung in der Seitenwand und
Zuführen von Brennstoff in den Brennraum, so dass sich im Brennraum ein
Brennstoffgemisch bildet,
Verlagern des ersten Kolbens, so dass die erste und die zweite Öffnung vom ersten Kolben verdeckt werden,
Zünden des Brennstoffgemischs, und nach Freigabe der zweiten Öffnung durch den ersten Kolben, Abführen von
Abgas durch die zweite Öffnung.
Ein solches Verfahren lässt sich insbesondere vorteilhaft mit einer eingangs genannten Vorrichtung durchführen. Für ein besseres Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen. Bei dem Verfahren wird ein Freikolbenmotor mit zwei Kolben in Verbindung mit einer Querspülung betrieben, was einen besonders vorteilhaften Teillastbetrieb ermöglicht. Trotz dieser Optimierung für den Teillastbetrieb kann mit weiteren Maßnahmen auch ein guter Hochlastbetrieb durchgeführt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Einstellen eines ersten oberen Totpunkts des ersten Kolbens und eines zweiten oberen Totpunkts des zweiten Kolbens in einem ersten Betriebszustand, Einstellen eines dritten oberen Totpunkts des ersten Kolbens und eines vierten oberen Totpunkts des zweiten Kolbens in einem zweiten Betriebszustand.
Bei dieser Ausgestaltung fahren der erste Kolben bzw. der zweite Kolben in einem ersten Betriebszustand, insbesondere im Teillastbetrieb, einen ersten oberen Totpunkt bzw. einen zweiten oberen Totpunkt an, wohingegen sie in einem zweiten Betriebszustand, insbesondere in einem Hochlastbetrieb, einen dritten oberen Totpunkt bzw. einen vierten oberen Totpunkt erreichen. Dabei ist entweder der dritte obere Totpunkt verschieden vom ersten oberen Totpunkt oder der vierte obere Totpunkt verschieden vom zweiten oberen Totpunkt. Insbesondere ist der dritte obere Totpunkt verschieden vom ersten oberen Totpunkt und der vierte obere Totpunkt verschieden vom zweiten oberen Totpunkt.
Auf diese Weise ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, den Brennraum zu variieren. Dabei kann sowohl die Position des Brennraums im Hinblick auf die erste bzw. die zweite Öffnung verändert werden, als auch die Längserstreckung des Brennraums - bezogen auf die Längserstreckung der Kolbenaufnahme - verändert werden. Die Ausgestaltung ermöglicht neben der Variabilität bezüglich eines Teillastbetriebs oder eines Hochlastbetriebs außerdem die Möglichkeit einer variablen Verdichtung.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Zünden des Brennstoffgemischs in einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors durch Selbstzündung und in einem zweiten Betriebszustand durch Aktivierung eines Zündauslösers.
Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass das Brennstoffgemisch in einem ersten Betriebszustand, insbesondere dem Teillastbetrieb, bevorzugt durch eine homogene Kompressionszündung selbstzündet. Im zweiten Betriebszustand, insbesondere dem Hochlastbetrieb, wird dann ein Zündauslöser verwendet, wie er bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurde, um damit die Verbrennung im Brennraum besonders gut steuern zu können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Abführen von Abgas in einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors durch die zweite Öffnung und in einem zweiten Betriebszustand durch eine dritte Öffnung.
Diese Ausgestaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Querspülung während des ersten Betriebszustands, insbesondere einem Teillastbetrieb, und eine Längsspülung in einem zweiten Betriebszustand, insbesondere einem Hochlastbetrieb. Dabei ist es bevorzugt, wenn im zweiten Betriebszustand das Abführen von Abgas sowohl durch die zweite Öffnung als auch durch die dritte Öffnung erfolgt. Dann kann eine kombinierte Quer-/Längsspülung verwendet werden. Während des ersten Betriebszustands soll im Wesentlichen keine Abfuhr von Abgas durch die dritte Öffnung stattfinden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Freikolbenmotors, hier in der Ausgestaltung als Gegenkolbenmotor;
Fig. 2a einen Schnitt in Längsrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1;
Fig. 2b einen Schnitt in Querrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt in Längsrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1 in einem ersten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem ersten unteren Totpunkt und der zweite Kolben an einem zweiten unteren Totpunkt befinden;
Fig. 4 einen Schnitt in Längsrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1 in einem ersten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem ersten oberen Totpunkt und der zweite Kolben an einem zweiten oberen Totpunkt befinden; Fig. 5 einen Schnitt in Längsrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem dritten unteren Totpunkt und der zweite Kolben an einem vierten unteren Totpunkt befinden;
Fig. 6 einen Schnitt in Längsrichtung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem dritten oberen Totpunkt und der zweite Kolben an einem vierten oberen Totpunkt befinden;
Fig. 7 einen Schnitt in Längsrichtung durch einen Freikolbenmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem ersten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem ersten unteren Totpunkt und der zweite Kolben an einem zweiten unteren Totpunkt befinden;
Fig. 8 einen Schnitt in Längserstreckung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 7 in einem ersten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem ersten oberen Totpunkt und der zweite Kolben an einem zweiten oberen Totpunkt befinden;
Fig. 9 einen Schnitt in Längserstreckung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 7 in einem zweiten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem dritten unteren Totpunkt und der zweite Kolben an einem vierten unteren Totpunkt befinden;
Fig. 10 einen Schnitt in Längserstreckung durch den Freikolbenmotor gemäß Fig. 7 in einem zweiten Betriebszustand, wobei sich der erste Kolben an einem dritten oberen Totpunkt und der zweite Kolben an einem vierten oberen Totpunkt befinden; Fig. 11 einen Schnitt in Längsrichtung durch einen Freikolbenmotor gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig. 12 einen Schnitt in Längsrichtung durch einen Freikolbenmotor gemäß einer vierten Ausführungsform;
Fig. 13 einen Schnitt in Längsrichtung durch einen Freikolbenmotor gemäß einer fünften Ausführungsform; und
Fig. 14 in der Form eines Blockdiagramms ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors mit zwei Kolben gemäß der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine dreidimensionale, teilgeschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Freikolbenmotors 10. Es handelt sich hierbei um eine erheblich vereinfachte Darstellung, um den Gegenstand der Erfindung deutlich hervorzuheben. Grundsätzlich sei darauf hingewiesen, dass es sich bei dem Freikolbenmotor 10 um einen Motor mit variablem Hub handelt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die in der Kolbenaufnahme 12 angeordneten Kolben, nämlich der erste Kolben 14 und der zweite Kolben 16, mit ihren entsprechenden Kolbenstangen 18, 19 nicht mit einer Kurbelwelle verbunden sind.
Der erste Kolben 14 und der zweite Kolben 16 sind linear verlagerbar und derart angeordnet, dass zwischen einer ersten Stirnfläche 20 des ersten Kolbens 14 und einer zweiten Stirnfläche (hier nicht zu sehen) des zweiten Kolbens 16 ein Brennraum 24 ausgebildet ist. Die Kolbenaufnahme 12 weist eine Seitenwand 26 auf, entlang derer sich die Kolben 14, 16 verlagern können. Die Seitenwand 26 weist eine erste Öffnung 28 auf, die hier aus mehreren Öffnungsabschnitten besteht und die für eine Zufuhr von Frischluft 30 ausgebildet ist.
Die erste Öffnung 28 kann insbesondere - bezogen auf ihre Durchströmungsrichtung - in eine Richtung geneigt sein (nicht gezeigt), so dass die eintretende Frischluft 30, die mit Brennstoff vermischt sein kann, in einem bestimmten Winkel in den Brennraum 24 eintritt. Auf diese Weise können die Verteilung des Brennstoffgemischs und die Spülung des Brennraums 24 optimiert werden.
Außerdem weist die Seitenwand 26 auch eine zweite Öffnung 32 auf, die hier aus mehreren Öffnungsabschnitten besteht und die für eine Abfuhr von Abgas 33 ausgebildet ist. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, sind die erste und die zweite Öffnung 28, 30 derart angeordnet, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens 14 die erste und die zweite Öffnung 28, 32 vom ersten Kolben 14 verdeckt werden. Das heißt, während eines Arbeitshubs sind die erste und die zweite Öffnung 28, 32 zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet bzw. freigeben und zu einem anderen Zeitpunkt verdeckt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Kolben 14 und der zweite Kolben 16 bevorzugt in etwa dasselbe Gewicht haben, wobei man bei der Betrachtung des Gewichts insbesondere alle weiteren Teile berücksichtigt, die im Wesentlichen dieselbe Bewegung durchführen, wie die Kolben 14, 16. Auf diese Weise lässt sich ein besonders vorteilhafter Massenausgleich erzielen, der die Vibrationen des Freikolbenmotors 10 verringert oder vermeidet.
In Fig. 2a ist der Freikolbenmotor 10 gemäß Fig. 1 im Querschnitt in Längsrichtung dargestellt. Die Figur verdeutlicht, was im Rahmen dieser Erfindung unter der Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 verstanden werden soll. Dabei ist es insbesondere so, dass die Richtung der Längserstreckung 34 mit der ersten Hubrichtung 36 des ersten Kolbens 14 und mit der zweiten Hubrichtung 38 des zweiten Kolbens 16 zusammenfällt. Es ist aber auch möglich, dass die erste Hubrichtung 36 und die zweite Hubrichtung 38 in einem Winkel zueinander stehen, so dass die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 dann aus zwei Segmenten besteht, die in einem Winkel zueinander stehen, wobei das erste Segment mit der ersten Hubrichtung 36 und das zweite Segment mit der zweiten Hubrichtung 38 zusammenfällt. Dementsprechend wird eine erste Längserstreckung 40 der ersten Öffnung 28 dann auch bezogen auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 betrachtet. In gleicher Weise wird eine zweite Längserstreckung 42 der zweiten Öffnung 32 bezogen auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 betrachtet. Ferner sind der erste Mittelpunkt 44 der ersten Öffnung 28 und der zweite Mittelpunkt 46 der zweiten Öffnung 32 dargestellt.
Bei genauer Betrachtung ist zu erkennen, dass sich die zweite Öffnung 32 etwas weiter nach rechts erstreckt (bezogen auf die Zeichnung) als die erste Öffnung 28. Daher liegt auch der zweite Mittelpunkt 46 etwas weiter rechts (bezogen auf die Zeichnung) als der erste Mittelpunkt 44. Der Grund hierfür liegt darin, dass sich die zweite Öffnung 32 bei einer Rückwärtsbewegung des ersten Kolbens 14 zeitlich etwas früher öffnet als die erste Öffnung 28. Mit anderen Worten hat der Brennraum 24 bei einer Rückwärtsbewegung des ersten Kolbens 14, also in Richtung auf seinen ersten unteren Totpunkt, erst eine Verbindung zur zweiten Öffnung 32 und dann zur ersten Öffnung 28. Auf diese Weise kann das unter Druck stehende Abgas 33 im Brennraum 24 erst zum Teil durch die zweite Öffnung 32 entweichen, bevor der Brennraum 24 mit der ersten Öffnung 28 verbunden wird.
Es ist zu erkennen, dass die erste Öffnung 28 derart angeordnet ist - bezogen auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 -, dass die erste Längserstreckung 40 der ersten Öffnung 28 zumindest teilweise, hier fast vollständig, mit der zweiten Längserstreckung 42 der zweiten Öffnung 32 zusammenfällt. Zwar liegen die Öffnungen 28, 32 in Umfangserstreckung versetzt zueinander, doch ist dies bei einer Betrachtung bezüglich der Längserstreckung 34 unbeachtlich. Außerdem ist zu erkennen, dass der erste Mittelpunkt 44 der ersten Öffnung 28 im Bereich der zweiten Längserstreckung 42 der zweiten Öffnung 32 liegt.
Fig. 2b zeigt einen Querschnitt in Querrichtung des Freikolbenmotors 10 entlang der Linie A-A, die in der Fig. 2a gezeigt ist. Diese Figur dient der Verdeutlichung der Umfangserstreckung 48 der Kolbenaufnahme 12. Dabei ist zu erkennen, dass der Mittelpunkt 44 der ersten Öffnung 28 zum zweiten Mittelpunkt 46 der zweiten Öffnung 32 in einem Winkel α steht, der hier 180° beträgt. Da die Öffnungen 28, 32 jeweils aus mehreren Öffnungsabschnitten bestehen, wurden die Mittelpunkte 44, 46 der Öffnungen 28, 32 hier jeweils als die Mittelpunkte der jeweiligen Gruppe von Öffnungsabschnitten gewählt.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 1 in einem ersten Betriebszustand, insbesondere in einem Teillastbetrieb. Dabei werden hier und im Weiteren die bisher eingeführten Bezugszeichen für gleichartige Bauteile weiter verwendet.
Die Figur zeigt eine Situation, bei der sich der erste Kolben 14 und der zweite Kolben 16 am ersten unteren Totpunkt UTl bzw. am zweiten unteren Totpunkt UT2 befinden. Mittels der breiten Pfeile wird symbolisch dargestellt, dass dem Brennraum 24 Frischluft 30 zugeführt wird und dass Abgas 33 abgeführt wird. Um zu verdeutlichen, dass hier eine Querspülung stattfindet, also von der einen Seite der Kolbenaufnahme 12 zu der anderen Seite der Kolbenaufnahme 12, sind weitere Pfeile eingezeichnet, die die Spülwege 50 verdeutlichen.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 1 im ersten Betriebszustand. Der erste Kolben 14 befindet sich nun an seinem ersten oberen Totpunkt OTl, und der zweite Kolben 16 befindet sich an seinem zweiten oberen Totpunkt OT2. Mittels eines weiteren großen schlanken Pfeils wird dargestellt, dass sich die Mitte des Brennraums 24 an einer ersten Position 52 befindet. Dabei bezieht sich die Positionsangabe auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12. Der Brennraum 24 hat im gezeigten Zustand, also zum Zeitpunkt der Zündung oder in der Nähe dieses Zeitpunkts, eine erste Längserstreckung 54.
In dieser Figur ist ferner gezeigt, dass dem ersten Kolben 14 eine erste Rückstelleinrichtung 51 und dem zweiten Kolben 16 eine zweite Rückstelleinrichtung 52 zugeordnet ist, die jeweils dafür ausgebildet sind, mit dem jeweiligen Kolben 14, 16 zusammenzuwirken und den jeweiligen Kolben nach dem Verbrennungsvorgang in Richtung des jeweiligen oberen Totpunkts OTl, OT2 zu bewegen. Die Rückstelleinrichtungen 51, 52 sind hier jeweils als Gasfederraum ausgestaltet.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 1 in einem zweiten Betriebszustand, hier einem Hochlastbetrieb, insbesondere dem Volllastbetrieb. Der erste Kolben 14 befindet sich an einem dritten unteren Totpunkt UT3, der bei der hier gezeigten Ausführungsform mit dem ersten oberen Totpunkt UTl zusammenfällt. Der zweite Kolben 16 befindet sich an einem vierten unteren Totpunkt UT4.
Es ist zu erkennen, dass der Brennraum 24 deutlich größer ist als im ersten Betriebszustand. Dies ermöglicht eine erhöhte Aufnahme von Brennstoffgemisch und damit eine erhöhte Leistungsabgabe. Wie man anhand der Spülwege 50 erkennen kann, stellen sich im zweiten Betriebszustand längere Wege für die Querspülung ein als im ersten Betriebszustand. Es hat sich bei ersten Versuchen aber überraschenderweise gezeigt, dass die Spülwirkung entgegen der bisherigen Auffassung aus dem Stand der Technik immer noch ausreichend ist. Außerdem gibt es, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, die Möglichkeit von einfachen konstruktiven Maßnahmen, um die Spülwirkung im Volllastbetrieb zu verbessern.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 1 im zweiten Betriebszustand. Bei dem hier gezeigten Zustand ist der erste Kolben 14 an einem dritten oberen Totpunkt OT3 und der zweite Kolben 16 an einem vierten oberen Totpunkt OT4.
Die Mitte des Brennraums 24 befindet sich nun an einer zweiten Position 56 und hat eine zweite Längserstreckung 58, die hier größer ist als die erste Längserstreckung 54. Die erste Position 53 des Brennraums 24 im ersten Betriebszustand ist zur Verdeutlichung der Verlagerung der Position des Brennraums 24 mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt. Betrachtet man nun insgesamt die Fig. 3 bis 6, so ist deutlich zu erkennen, dass der Freikolbenmotor 10 gemäß der ersten Ausführungsform zwar besondere Vorteile im Teillastbetrieb hat, sich aber dennoch auch für den Hochlastbetrieb eignet. Die Längserstreckung 54, 58 des Brennraums 24 und die Position 53, 56 des Brennraums 24 sind variabel und können insbesondere unabhängig von einander eingestellt werden. Dies ermöglicht neben einer optimalen Anpassung des Brennraums 24 an sich ändernde Mengen von Brennstoffgemisch auch eine Variabilität bei der Wahl der Verdichtung. Dadurch können nicht nur verschiedene Brennstoffe als Energielieferant für den Freikolbenmotor 10 verwendet werden, sondern kann sogar bei bestimmten Gemischen beeinflusst werden, ob diese Brennstoffgemische selbstzündend sind oder nicht.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch eine zweite Ausführungsform eines Freikolbenmotors 10 in einem ersten Betriebszustand, insbesondere in einem Teillastbetrieb. Die hier gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Seitenwand 26 eine dritte Öffnung 60 aufweist, die für eine Abfuhr von Abgas 33 derart ausgebildet ist, dass während eines Arbeitshubs des zweiten Kolbens 16 die dritte Öffnung 60 verdeckt wird oder in bestimmten Betriebszuständen verdeckt bleibt. Die dritte Öffnung 60 ist als Schlitz ausgestaltet bzw. wenn die Öffnung 60 aus mehreren Öffnungsabschnitten besteht, als mehrere Schlitzabschnitte ausgestaltet.
Im hier gezeigten Zustand während des ersten Betriebszustands verhält sich der Freikolbenmotor 10 im Wesentlichen so wie es im Hinblick auf die erste Ausführungsform in der Fig. 3 erläutert wurde. Es sei daher auf die dortigen Erläuterungen verwiesen.
Unter dem Begriff "verdeckt bleibt" soll verstanden werden, dass die dritte Öffnung 60 in bestimmten Betriebszuständen dauerhaft vom zweiten Kolben 16 verdeckt wird. D.h., in bestimmten Betriebszuständen, insbesondere dem Teillastbetrieb, gibt der zweite Kolben 16 die dritte Öffnung 60 nicht frei, sondern hält sie während des gesamten Arbeitshubs verdeckt. Die dritte Öffnung 60 nimmt in diesen bestimmten Betriebszuständen ihre vorgesehene Funktion nicht wahr.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 7 im ersten Betriebszustand. Die hier gezeigte Situation während des ersten Betriebszustands entspricht im Wesentlichen der Situation des Freikolbenmotors 10 gemäß der ersten Ausfuhrungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist. Es sei daher auf die dortigen Erläuterungen verwiesen.
Fig. 9 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 7 in einem zweiten Betriebszustand, hier einem Hochlastbetrieb, insbesondere dem Volllastbetrieb. Der erste Kolben 14 befindet sich an einem dritten unteren Totpunkt UT3, und der zweite Kolben 16 befindet sich an einem vierten unteren Totpunkt UT4. In dem hier gezeigten Zustand sind alle Öffnungen 28, 32, 60 freigegeben. Es stellen sich nun Spülwege 50 von der ersten Öffnung 28 zur zweiten Öffnung 32 und von der ersten Öffnung 28 zur dritten Öffnung 60 ein. Daher lässt sich der Brennraum 24 im zweiten Betriebszustand besonders gut spülen.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt in Längserstreckung 34 durch den Freikolbenmotor 10 gemäß der Fig. 7 im zweiten Betriebszustand Die dargestellte Situation entspricht im Wesentlichen der Situation in der Fig. 6, so dass auf die dortigen Erläuterungen verwiesen wird. Der erste Kolben 14 befindet sich an einem dritten oberen Totpunkt OT3, und der zweite Kolben 16 befindet sich an einem vierten oberen Totpunkt OT4.
Fig. 11 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform eines Freikolbenmotors 10 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen, die außer in der gezeigten Kombination auch in beliebigen anderen Kombinationen von zwei oder mehr Merkmalen und auch in Alleinstellung verwendet werden können: In der Seitenwand 26 ist ein Zündauslöser 70 angeordnet, insbesondere eine Zündkerze. Ein Zündauslöser 70 ermöglicht eine besonders gut steuerbare Verbrennung im Brennraum 24.
In der Seitenwand 26 ist entlang der Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 ein weiterer Zündauslöser 70 angeordnet, hier zwei weitere Zündauslöser 70. Der weitere Zündauslöser 70 bzw. die weiteren Zündauslöser 70 ermöglichen stets eine gute Verbrennung im Brennraum 24, auch wenn sich die Position 53, 56 des Brennraums 24 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand ändert. Dabei wird bevorzugt jeweils der Zündauslöser 70 eingesetzt, der sich möglichst nahe der Mitte des Brennraums 24 befindet. Der Freikolbenmotor 10 weist eine Einspritzanlage 72 mit einer Einspritzdüse 74 auf, durch die Brennstoff in den Brennraum 24 eingespritzt wird. Die Einspritzeinlage 72 ermöglicht ein besonders genaues Dosieren der Brennstoffmenge.
Die Frischluft 30 wird durch ein Frischluftzufuhrrohr 76 in den Brennraum 24 geführt.
An der zweiten Öffnung 32 ist ein Abgasrohr 78 angeordnet, insbesondere ein Abgasresonanzrohr, durch das Abgas 33 aus dem Brennraum 24 abgeführt wird. Dadurch kann durch einen Resonanzeffekt auf einfache Weise eine Aufladung bzw. Druckerhöhung der Frischluft 30 erzielt werden.
Fig. 12 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Freikolbenmotors 10 mit weiteren besonderen Merkmalen, die außer in der gezeigten Kombination auch in beliebigen anderen Kombinationen von zwei oder mehr Merkmalen und auch in Alleinstellung verwendet werden können:
Zwei Zündauslöser 70 sind an gegenüberliegenden Seiten der Kolbenaufnahme 12 angeordnet. Dadurch wird eine besonders schnelle Energiefreisetzung im Brennraum 24 erzielt.
Die Seitenwand 26 weist eine vierte Öffnung 80 auf, die für eine Abfuhr von Abgas 33 derart ausgebildet ist, dass während eines Arbeitshubs des zweiten Kolbens 16 die vierte Öffnung 80 vom zweiten Kolben 16 verdeckt wird oder in bestimmten Betriebszuständen verdeckt bleibt.
An die dritte Öffnung 60 und die vierte Öffnung 80 ist jeweils ein Abgasrohr 78, insbesondere ein Abgasresonanzrohr, angeschlossen.
Fig. 13 zeigt eine teilgeschnittene Ansicht einer fünften Ausführungsform eines Freikolbenmotors 10. Der Freikolbenmotor 10 weist einen ersten Lineargenerator 82 auf, der an den ersten Kolben 14 gekoppelt ist, und einen zweiten Lineargenerator 84, der an den zweiten Kolben 16 gekoppelt ist. Die Kopplung ist hier jeweils als starre Verbindung ausgeführt.
Dem Freikolbenmotor 10 ist eine Steuereinrichtung 86 zugeordnet, die eine oder mehrere der folgenden Steuerfunktionen durchführt:
Der erste obere Totpunkt OTl des ersten Kolbens 14 und/oder der zweite obere Totpunkt OT2 des zweiten Kolbens 16 werden variiert.
Der erste obere Totpunkt OTl des ersten Kolbens 14 und der zweite obere Totpunkt OT2 des zweiten Kolbens 16 werden derart variiert, dass eine Position des Brennraums 24 - bezogen auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 - variabel ist.
Der erste obere Totpunkt OTl des ersten Kolbens 14 und der zweite obere Totpunkt OT2 des zweiten Kolbens 16 werden derart variiert, dass eine Längserstreckung 52, 56 des Brennraums 24 - bezogen auf die Längserstreckung 34 der Kolbenaufnahme 12 - variabel ist.
Die erforderliche Anbindung der einzelnen Elemente des Freikolbenmotors 10 an die Steuereinrichtung 86 zur Steuerung dieser und der nachfolgenden Funktionen erfolgt über Steuerleitungen 114. Der Freikolbenmotor 10 weist außerdem die folgenden Merkmale auf, die außer in der gezeigten Kombination auch in beliebigen anderen Kombinationen von zwei oder mehr Merkmalen und auch in Alleinstellung verwendet werden können:
Der ersten Rückstelleinrichtung 51, die als Gasfederraum ausgestaltet ist, ist ein steuerbares Ventil 88 zugeordnet, mit dem der Druck im Gasfederraum erhöht oder gesenkt werden kann.
Der zweiten Rückstelleinrichtung 52, die als Gasfederraum ausgestaltet ist, ist ein zweites steuerbares Ventil 90 zugeordnet, mit dem der Druck im Gasfederraum erhöht oder gesenkt werden kann.
Die Frischluft 28 wird durch einen Lader 92, insbesondere einen Druckwellenlader, verdichtet.
Eine Einspritzanlage 72 steuert Zeitpunkt und/oder Menge des Einspritzens. Eine Zündanlage 94 steuert die Funktion des Zündauslösers 70. An der zweiten Öffnung 32 ist ein Abgasturbolader 96 angeordnet, der insbesondere mit dem Lader 92 zusammenwirkt.
Der erste Läufer 98 des ersten Lineargenerators 82 weist einen ersten Kolbenabschnitt 100 auf, der eine dritte Rückstelleinrichtung 102 begrenzt. Die dritte Rückstelleinrichtung 102 ist als Gasfederraum ausgebildet, dessen Druck durch ein drittes steuerbares Ventil 104 erhöht oder gesenkt werden kann. Der zweite Läufer 106 des zweiten Lineargenerators 84 weist einen zweiten Kolbenabschnitt 108 auf, der einen Verdichterraum 110 eines Verdichters 112 begrenzt. Mit dem Verdichterraum 110 sind ein erstes Verdichterventil 116 und ein zweites Verdichterventil 118 verbunden. Das erste Verdichterventil 116 dient der Zufuhr eines Fluids, insbesondere Luft, in den Verdichterraum 110. Das zweite Verdichterventil 118 dient der Abfuhr des verdichteten Fluids in ein Reservoir 120. Bei jedem Arbeitshub des zweiten Kolbens 16 wird so Fluid in den Verdichterraum 110 aufgenommen und unter Druck in das Reservoir 120 gedrückt. Von dort kann das verdichtete Fluid zur weiteren Arbeitsverrichtung, insbesondere dem Betrieb eines druckluftbetriebenen Werkzeugs, entnommen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass auch der zweite Kolbenabschnitt 108 eine Rückstelleinrichtung begrenzen kann und dass auch der erste- Kolbenabschnitt 100 einen Verdichterraum begrenzen kann. Außerdem ist es auch möglich auf einen oder beide Lineargeneratoren zu verzichten und lediglich den einen ersten Kolbenabschnitt 100 und/oder den einen zweiten Kolbenabschnitt 108 starr mit dem jeweiligen ersten bzw. zweiten Kolben 14, 16 zu verbinden.
Fig. 14 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors 10, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen SlO einer Kolbenaufnahme 12 mit einer Seitenwand 26, Bereitstellen S12 eines ersten Kolbens 14 und eines zweiten Kolbens 16 in der Kolbenaufnahme 12, so dass zwischen einer ersten Stirnfläche 20 des ersten Kolbens 14 und einer zweiten Stirnfläche 22 des zweiten Kolbens 16 ein Brennraum 24 ausgebildet ist, in der Seitenwand 26, Bereitstellen Sl 4 einer ersten Öffnung 28, die für eine Zufuhr von Frischluft 30 ausgebildet ist, und einer zweiten Öffnung 32, die für eine Abfuhr von Abgas 33 ausgebildet ist,
Zuführen S16 von Frischluft 30 durch die erste Öffnung 28 in der Seitenwand 26 und Zuführen von Brennstoff in den Brennraum 24, so dass sich im Brennraum 24 ein Brennstoffgemisch bildet, und
Verlagern S18 des ersten Kolbens 14, so dass die erste und die zweite Öffnung 28, 32 vom ersten Kolben 14 verdeckt werden,
Um verschiedene Betriebszustände berücksichtigen zu können, findet nun eine Abfrage S19 statt, in der festgestellt wird, welcher Betriebszustand gewünscht ist bzw. welche Leistungsanforderung an den Freikolbenmotor 10 gestellt wird. Diese Abfrage wird hier vereinfacht als Unterscheidung dargestellt, bei der zwischen einem ersten Betriebszustand, dem Teillastbetrieb, und einem zweiten Betriebszustand, dem Hochlastbetrieb, unterschieden wird. Besonders bevorzugt ist es, wenn einer Vielzahl von verschiedenen Betriebszuständen einer Vielzahl von verschiedenen Parametern oder Berechnungsformeln zugeordnet ist, mit denen eine Vielzahl verschiedener Leistungsanforderungen bzw. verschiedener Betriebszustände möglichst gut eingestellt werden können.
Die Darstellung zeigt, dass das Verfahren in Abhängigkeit von dem Betriebszustand über einen ersten Pfad Bl (erster Betriebszustand) oder über einen zweiten Pfad B2 (zweiter Betriebszustand) fortgesetzt wird.
Im ersten Betriebszustand setzt sich das Verfahren wie folgt fort:
Einstellen S20 eines ersten oberen Totpunkts OTl des ersten Kolbens 14 und eines zweiten oberen Totpunkts OT2 des zweiten Kolbens 16.
Im zweiten Betriebszustand setzt sich das Verfahren wie folgt fort:
Einstellen S21 eines dritten oberen Totpunkts OT3 des ersten Kolbens 14 und eines vierten oberen Totpunkts OT4 des zweiten Kolbens 16.
Danach wird das Verfahren wie folgt weitergeführt:
Zünden S22 des Brennstoffgemischs, und nach Freigabe der zweiten Öffnung 32 durch den ersten Kolben 14, Abführen
S24 von Abgas 33 durch die zweite Öffnung 32.
Damit zeigt die Erfindung insgesamt einen Freikolbenmotor und ein entsprechendes Verfahren auf, die in der einfachsten Ausgestaltung einen vorteilhaften Teillastbetrieb ermöglichen. Durch eine weitere Maßnahme, nämlich die dritte Öffnung, lässt sich aber zudem auch ein vorteilhafter Hochlastbetrieb erzielen. Die Erfindung bietet sowohl einen variablen Hub, eine variable Verdichtung und zudem variable Steuerzeiten, so dass eine besonders gute Anpassung an den jeweiligen Betriebszustand und dadurch ein besonders guter Wirkungsgrad erzielt werden können.
Auch wenn die Erfindung im Hinblick auf die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung im Detail dargestellt und beschrieben wurde, dient diese Darstellung und Beschreibung lediglich der Erläuterung anhand von Beispielen und ist nicht beschränkend zu verstehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausfuhrungsbeispiele beschränkt.
Andere Varianten der offenbarten Ausführungsbeispiele können vom Fachmann verstanden und im Rahmen der Erfindung ausgeführt werden, und zwar mit Hilfe eines Verständnisses der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche. In den Ansprüchen sind die Wörter "mit" oder "aufweisend" nicht dahingehend zu verstehen, dass andere Elemente oder Schritte ausgeschlossen wären. Außerdem schließen die unbestimmten Artikel "ein", "eine" oder "eines" nicht eine Mehrzahl des entsprechenden Elements aus. Die Begriffe "links", "rechts", "oben", "unten" etc. werden lediglich für ein besseres Verständnis der Erfindung verwendet und beschränken nicht den Schutzbereich der Erfindung.
Die alleinige Tatsache, dass bestimmte Merkmale in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen erwähnt sind, bedeutet nicht, dass nicht auch eine Kombination dieser Merkmale vorteilhaft sein könnte. Kein Bezugszeichen soll dahingehend verstanden werden, dass es eine Einschränkung des Schutzbereichs bedeutet.

Claims

Patentansprüche
1. Freikolbenmotor (10) mit variablem Hub, aufweisend eine Kolbenaufnahme (12), in der ein erster Kolben (14) und ein zweiter Kolben (16) linear verlagerbar derart angeordnet sind, dass zwischen einer ersten Stirnfläche (20) des ersten Kolbens (14) und einer zweiten Stirnfläche (22) des zweiten Kolbens (16) ein Brennraum (24) ausgebildet ist, wobei die Kolbenaufnahme (12) eine Seitenwand (26) aufweist, entlang derer sich die Kolben (14, 16) verlagern können, und wobei die Seitenwand (26) eine erste Öffnung (28), die für eine Zufuhr von Frischluft (30) ausgebildet ist, und eine zweite Öffnung (32) aufweist, die für eine Abfuhr von Abgas (33) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Öffnung (28, 32) derart angeordnet sind, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens (14) die erste und die zweite Öffnung (28, 32) vom ersten Kolben (14) verdeckt werden.
2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Öffnung (28, 32) derart angeordnet sind, dass während eines Arbeitshubs des ersten Kolbens (14) die zweite Öffnung (32) zumindest teilweise vom ersten Kolben (14) verdeckt ist, wenn die erste Öffnung (28) vollständig vom ersten Kolben (14) verdeckt ist.
3. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (28) derart angeordnet ist, dass - bezogen auf eine Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - eine erste Längserstreckung (40) der ersten Öffnung (28) - bezogen auf die Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - zumindest teilweise mit einer zweiten Längserstreckung (42) der zweiten Öffnung (32) - bezogen auf die Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - zusammenfällt.
4. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Mittelpunkt (44) der ersten Öffnung (28) im Be- reich einer zweiten Längserstreckung (42) der zweiten Öffnung (32) - bezogen auf eine Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - liegt.
5. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Mittelpunkt (44) der ersten Öffnung (28) zu einem zweiten Mittelpunkt (46) der zweiten Öffnung (32) um einen Winkel (α) zwischen 60° und 300°, bevorzugt zwischen 90° und 270°, besonders bevorzugt zwischen 120° und 240°, - bezogen auf eine Umfangserstreckung (48) der Kolbenaufnahme (12) - versetzt angeordnet ist.
6. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Kolben (14) eine erste Rückstelleinrichtung (51) zugeordnet ist, die dafür ausgebildet ist, mit dem ersten Kolben (14) zusammenzuwirken und den ersten Kolben (14) nach einem Verbrennungsvorgang in Richtung eines ersten oberen Totpunkts (OTl) des ersten Kolbens (14) zu bewegen.
7. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (10) eine Steuereinrichtung (86) aufweist, die dafür ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt (OTl) des ersten Kolbens (14) und/oder einen zweiten oberen Totpunkt (OT2) des zweiten Kolbens (16) zu variieren.
8. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (10) eine Steuereinrichtung (86) aufweist, die dafür ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt (OTl) des ersten Kolbens (14) und einen zweiten oberen Totpunkt (OT2) des zweiten Kolbens (16) derart zu variieren, dass eine Position (53, 56) des Brennraums (24) - bezogen auf die Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - variabel ist.
9. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolbenmotor (10) eine Steuereinrichtung (86) aufweist, die dafür ausgebildet ist, einen ersten oberen Totpunkt (OTl) des ersten Kolbens (14) und einen zweiten oberen Totpunkt (OT2) des zweiten Kolbens (16) derart zu variieren, dass eine Längserstreckung (54, 58) des Brennraums (24) - bezogen auf die Längserstreckung (34) der Kolbenaufnahme (12) - variabel ist.
10. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Seitenwand (26) ein Zündauslöser (70) derart angeordnet ist, dass der Zündauslöser (70) zu einem Zeitpunkt, wenn der erste Kolben (14) an einem ersten oberen Totpunkt (OTl) ist und der zweite Kolben (16) an einem zweiten oberen Totpunkt (OT2) ist, bei einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors (10) keine Wirkverbindung zum Brennraum (24) hat.
11. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (14) mit einem ersten Lineargenerator (82) und/oder der zweite Kolben (16) mit einem zweiten Lineargenerator (84) gekoppelt ist.
12. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (14) und/oder der zweite Kolben (16) mit einem Verdichter (112) gekoppelt ist.
13. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (26) eine dritte Öffnung (60) aufweist, die für eine Abfuhr von Abgas (33) derart ausgebildet ist, dass während eines Arbeitshubs des zweiten Kolbens (16) die dritte Öffnung (60) vom zweiten Kolben (16) verdeckt wird.
14. Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors (10), mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen (SlO) einer Kolbenaufnahme (12) mit einer Seitenwand (26),
Bereitstellen (S12) eines ersten Kolbens (14) und eines zweiten Kolbens (16) in der Kolbenaufnahme (12), so dass zwischen einer ersten Stirnfläche (20) des ersten Kolbens (14) und einer zweiten Stirnfläche (22) des zweiten Kolbens (16) ein Brennraum (24) ausgebildet ist, in der Seitenwand (26), Bereitstellen (S14) einer ersten Öffnung (28), die für eine Zufuhr von Frischluft (30) ausgebildet ist, und einer zweiten Öffnung (32), die für eine Abfuhr von Abgas (33) ausgebildet ist, Zuführen (S 16) von Frischluft (30) durch die erste Öffnung (28) in der Seitenwand (26) und Zuführen von Brennstoff in den Brennraum (24), so dass sich im Brennraum (24) ein Brennstoffgemisch bildet, Verlagern (S18) des ersten Kolbens (14), so dass die erste und die zweite Öffnung (28, 32) vom ersten Kolben (14) verdeckt werden, Zünden (S22) des Brennstoffgemischs, und nach Freigabe der zweiten Öffnung (32) durch den ersten Kolben (14), Abführen (S24) von Abgas (33) durch die zweite Öffnung (32).
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Schritte
Einstellen (S20) eines ersten oberen Totpunkts (OTl) des ersten Kolbens (14) und eines zweiten oberen Totpunkts (OT2) des zweiten Kolbens (16) in einem ersten Betriebszustand,
Einstellen (S21) eines dritten oberen Totpunkts (OT3) des ersten Kolbens (14) und eines vierten oberen Totpunkts (OT4) des zweiten Kolbens (16) in einem zweiten Betriebszustand.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Zünden (S22) des Brennstoffgemischs in einem ersten Betriebszustand des Frei- kolbenmotors (10) durch Selbstzündung und in einem zweiten Betriebszustand durch Aktivierung eines Zündauslösers (70) erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abführen (S24) von Abgas (33) in einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors (10) durch die zweite Öffnung (32) und in einem zweiten Betriebszustand durch eine dritte Öffnung (60) erfolgt.
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