WO2010046121A1 - Free-piston engine having variable hub, method for operating a free-piston engine and use of openings in a piston receptacle - Google Patents

Free-piston engine having variable hub, method for operating a free-piston engine and use of openings in a piston receptacle Download PDF

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WO2010046121A1
WO2010046121A1 PCT/EP2009/007602 EP2009007602W WO2010046121A1 WO 2010046121 A1 WO2010046121 A1 WO 2010046121A1 EP 2009007602 W EP2009007602 W EP 2009007602W WO 2010046121 A1 WO2010046121 A1 WO 2010046121A1
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piston
opening
free
piston engine
exhaust gas
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PCT/EP2009/007602
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Inventor
Markus Graef
Jürgen Graef
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Umc Universal Motor Corporation Gmbh
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • 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
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/04—Engines having ports both in cylinder head and in cylinder wall near bottom of piston stroke
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/02—Varying compression ratio by alteration or displacement of piston stroke

Definitions

  • Free-piston engine with variable stroke Method for operating a free-piston engine and use of openings in a piston receptacle
  • the present invention relates to a free-piston engine with variable stroke, comprising a piston and a piston receptacle with a side wall along which the piston can linearly displace, and having a first opening and a second opening, which are adapted for a supply of fuel mixture and a Allow removal of exhaust gas.
  • the invention further relates to a method for operating a free-piston engine with the following steps:
  • the invention also relates to a use of openings in a piston seat of a free-piston engine, wherein in a first operating state, a first opening and a second opening for supplying fuel mixture and a discharge of exhaust gas are used.
  • 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 offers due to the lack of mechanical connection, so in particular due to a missing crankshaft, a variable adjustment of the displacement and the compression. 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 the scalability with regard to the power output enable further applications, for example as an emergency generator or as an auxiliary power unit (APU).
  • APU auxiliary power unit
  • WO 03/091556 A1 shows an advanced free-piston engine, which can provide a large expansion chamber or combustion chamber at full load and, in contrast, only one during partial load operation used significantly lower expansion space.
  • 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 object is achieved in a free-piston engine with variable stroke mentioned above in that on the side wall at least one further, third opening is adapted to allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas.
  • the operating characteristics of the known free-piston engine can be improved, especially during high-load operation, in particular during full-load operation.
  • the term high-load operation should be understood to mean an operating state of the free-piston engine in which it emits 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. Since in a 2-stroke operation no separate cycle for the emission of exhaust gas is present, a so-called. Purging of the expansion space or the combustion chamber must take place. That is, it must be almost simultaneously performed both the supply of fuel mixture and the removal of exhaust gas. It was found within the scope of the invention that a sufficiently complete purging of the combustion chamber can be achieved in partial load operation, however, the increasing capacity with increasing power demand displacement, especially in the high load range, always difficult to completely rinse.
  • the above-mentioned free-piston engine uses a reverse purge, which is difficult due to the increasingly lengthy Spülwegs.
  • more and more energy is needed to realize the gas exchange, ie the removal of exhaust gas and the supply of fresh fuel mixture.
  • the residual exhaust gas content increases, since in particular the lower areas of the combustion chamber, ie in the vicinity of the piston, can no longer be completely filled with fresh fuel or fresh gas.
  • a third opening is formed on the side wall of the piston receptacle.
  • This third opening serves for the supply of fuel mixture or the removal of exhaust gas.
  • the third opening has no function in a first operating state, i. the third opening is closed in the first operating state, concealed or simply unused and is only opened, released or used in the second operating state.
  • the first operating state is in particular a part-load operation
  • the second operating state is, in particular, a high-load operation, particularly preferably a full-load operation.
  • the first opening of the supply of fresh fuel mixture and the second opening of the discharge of exhaust gas is used.
  • the first opening then serves as an inlet and the second opening as an outlet.
  • the third opening is inactive, in particular, it has no influence on the supply of fresh fuel mixture or the removal of exhaust gas.
  • the third port is used for the removal of exhaust gas. This reduces the back pressure when the exhaust gas is to be forced out of the combustion chamber. As a result, the exhaust gas can be more completely discharged from the combustion chamber.
  • the third opening can be arranged such that a further flushing path, ie the path along which the exhaust gas is forced out of the combustion chamber with the aid of the fresh fuel mixture, results. Thereby, the effect that certain areas of the combustion chamber are not or poorly flushed, can be reduced or even prevented.
  • the third port is used for the supply of fresh fuel mixture.
  • the exhaust gas can be displaced even more targeted towards the second opening. In this way, the previously difficult to flush areas can be better filled with fresh fuel mixture.
  • the first opening is switched to passive, in particular closed, and the third opening takes over the function of supplying fresh fuel mixture.
  • This mode of operation is somewhat preferred over the mode of operation described below, since piston movement in the compression and rinse path are then approximately the same, resulting in a particularly good rinsing result.
  • the second opening is switched passive, in particular closed and the third opening takes over the function of the removal of exhaust gas. Also on this Way, it is possible to provide a different rinse path for the second operating state than for the first operating state.
  • the operating mode 1 seems to offer certain advantages. However, it is basically possible to use each of the operating modes.
  • the operating modes can also be used alternately and in particular be changed during operation.
  • an opening for a supply of fuel mixture it can also be referred to as an inlet opening, to which then in particular a fuel mixture supply line is arranged, is supplied via the fresh air or fuel or a mixture of fresh air and fuel.
  • an opening for a discharge of exhaust gas it can also be referred to as an outlet opening, on which then in particular an exhaust gas line is arranged.
  • the fuel mixture which is later burned in the combustion chamber must not be introduced with all its components through the same opening. While it is preferred that the fuel mixture is already a mixture of fresh air and fuel, it is also possible to have a portion, e.g. only to lead the fresh air through an opening for a supply of fuel mixture in the combustion chamber and the fuel in another way, in particular by means of an injection nozzle. In such a configuration passes through the opening, which is designed for a supply of fuel mixture, only fresh air into the combustion chamber.
  • the third opening is arranged in a portion of the side wall, which sweeps over the end face of the piston in a movement with maximum stroke.
  • the third opening is thus arranged so that it is released due to the movement of the piston from a certain time, provided that the piston performs a movement with a sufficiently large, in particular maximum stroke. Therefore, the use of the third opening, in particular the release of the third opening, can be controlled in a simple manner by means of the piston.
  • the release of the third opening is already at a lower power requirement or only at higher power requirement.
  • the third opening in a portion of the side wall is arranged such that the third opening is concealed at a first operating state of the free-piston engine at bottom dead center movement of the piston and at a second operating state of the free-piston engine at the bottom dead center of a movement of the piston is released.
  • the activation of the third opening depending on the power output can be easily realized. If the piston in the first operating state, ie in particular in the partial load range, performs a rather short stroke movement, the third opening remains inactive since it has no connection to the expansion space, in particular is covered by the piston. The purging of the expansion space or of the combustion chamber then takes place along a flushing path from the first opening to the second opening. In the second operating state, the third opening is then released, and one of the above-mentioned operating modes can be set.
  • the third opening is arranged at most 50%, preferably at most 30% and in particular at most 15% of the maximum stroke from bottom dead center at maximum stroke.
  • the first opening has a first valve, which is designed to release the first opening over time and to close.
  • the supply of fresh fuel mixture or the removal of exhaust gas can control particularly well.
  • first valve as an injection nozzle.
  • second opening has a second valve which is designed to release and close the second opening over time, even if the first opening does not have a first valve.
  • both the first opening and the second opening each have a valve.
  • the third opening has a valve adapted to release and close the third opening over time.
  • the first opening is arranged on an end wall of the piston receptacle.
  • This embodiment is advantageous with regard to the supply of fresh fuel mixture in the expansion space or combustion chamber and with respect to the rinsing path, which is formed for the removal of exhaust gas. Since the first opening is never covered by the piston, the use and / or the operation of the first opening can be made independently of the power output of the free-piston engine. Under the end wall is to be understood the part of the piston receiving, which faces the end face of the piston. alternatives In addition to this, the second opening can be arranged on an end wall of the piston receptacle. It is particularly preferred if both the first and the second opening are arranged on the end wall.
  • variable stroke is described as the distance between a top dead center and a bottom dead center, wherein in particular the bottom dead center is variable.
  • top and bottom dead centers are variable, because there is no fixed mechanical connection, such as on a crankshaft, which defines a defined stroke.
  • the top dead center only requires a rather small margin in terms of its variability, since, for example, changes in the compression can already be effected by small changes in top dead center.
  • the bottom dead center is variable over a large range in order to cover a wide range of power outputs, in particular from idling to full load.
  • the first operating state of the bottom dead center is then preferably chosen so that the piston covers the third opening, whereas the bottom dead center in the second operating state is selected so that the third opening is released during the stroke.
  • the bottom dead center can therefore be preferably in a range of 50% of the maximum stroke, more preferably in a range of 70% of the maximum stroke and in particular in a range of 90% of the maximum stroke, each calculated from the maximum bottom dead center, vary.
  • a fourth opening is formed on the side wall to allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas.
  • This embodiment opens up further possibilities for designing the supply of fresh fuel mixture and the removal of exhaust gas.
  • the openings in the second operating state, that is to say in particular in high-load operation, can be used variably for the supply of fresh fuel mixture and the removal of exhaust gas.
  • the third and the fourth opening of the supply of fuel mixture and the first and / or the second opening serve for the removal of exhaust gas. Then the direction of the flushing path is approximately the same for the piston movement, which leads to a good rinsing result. It is also preferred if the fourth opening is arranged at the same location with respect to the stroke direction of the piston, but offset in the radial direction. In this case, the fourth opening can be arranged in particular with respect to a center axis of the piston receptacle opposite the third opening.
  • Be a further advantageous embodiment of the invention is / are the third opening and / or the fourth opening designed as a slot.
  • the third opening and / or the fourth opening are designed in particular in the manner of a slot, as it is known from the field of 2-stroke engines.
  • the opening and closing of the third opening and / or the fourth opening can then be realized particularly easily by means of the piston, in particular without the need for further moving parts.
  • the respective slot can be easily formed in the side wall of the piston seat.
  • the first opening for the supply of fuel mixture and the other openings for the removal of exhaust gas are formed.
  • a second piston arranged in the piston receptacle, which limits a fluid buffer space with a second portion of the inner wall of the piston receptacle
  • This embodiment allows in a particularly favorable manner, the return of the piston in a position at which a further combustion process can take place.
  • the second piston Due to the expansion in the expansion space, or the combustion in the combustion chamber, the second piston is displaced in the direction of the fluid buffer space, so that a fluid therein, in particular a gas, and in particular preferably compressed air.
  • the kinetic energy of the piston assembly having the first and second pistons not decoupled by the working portion of the free piston engine is translated into compression of the fluid such that the piston recoils toward the expansion space as the fluid in the fluid buffer space relaxed.
  • the first and the second piston are in particular substantially rigidly connected to each other.
  • a rotor is arranged on the piston, along which magnets are arranged along the stroke direction, which cooperate with a stator for generating electrical energy.
  • the rinsing path and / or the rinsing direction can be set flexibly as a function of the operating state. It is additionally or alternatively also advantageous if, in the first operating state, the supply of exhaust gas through an opening and in the second operating state the fuel mixture takes place through the same opening.
  • the object is further achieved by an aforementioned method in which, in a second operating state, a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas by means of a third opening.
  • the third opening in the first operating state is inactive, i. it is not used in terms of supplying fuel mixture and exhaust gas discharge.
  • a bottom dead center of the piston covers the third opening in a first operating state and that a bottom dead center of the piston, in a second operating state, partially or completely releases the third opening.
  • the object is also achieved by a use of the type mentioned, in which in a second operating state, the third opening for the supply of fuel mixture or the discharge of exhaust gas is used.
  • Fig. 1 is a partially sectioned view of a first embodiment of a
  • FIG. 2 is a partially sectioned view of the first embodiment of the
  • Fig. 3 is a partially sectioned view of a second embodiment of a
  • Fig. 4 is a partially sectioned view of a third embodiment of a
  • Fig. 5 is a partially sectioned view of a fourth embodiment of a
  • Fig. 6 is a partially sectioned view of a fifth embodiment of a
  • Fig. 7 is a partially sectioned view of a sixth embodiment of a
  • Fig. 8 is a partially sectioned view of a seventh embodiment of a
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a free-piston engine 10, which has a first piston 12 and a piston receptacle 14.
  • the free-piston engine 10 is shown here in a partially sectioned view.
  • the piston receptacle 14 has an oval, in particular circular cross-section.
  • the piston receptacle 14 has a side wall 16, along which the piston 12 can shift linearly along a stroke direction 18 (indicated by the double arrow).
  • the piston receptacle 14 also has an end wall 20 in which a first opening 22 and a second opening 24 are formed, wherein the first opening 22 communicates with a fuel mixture supply line 23 and the second opening tion 25 with an exhaust gas discharge line 25 is in communication.
  • the first opening 22 and the second opening 24 respectively have correspondingly a first valve 26 and a second valve 28, which are designed to release the respective opening 22, 24 over time and to close them.
  • the valves 26, 28 are timed.
  • the first opening is here designed to allow a supply of fresh fuel mixture
  • the second opening is adapted to allow a discharge of exhaust gas.
  • the process of supplying fuel mixture and the removal of exhaust gas are symbolized by means of an arrow, which shows the flow path or purge path 30.
  • the arrowhead 32 represents symbolically the removal of exhaust gas and the arrow end 34, the supply of fuel mixture.
  • a third opening 36 and a fourth opening 38 are formed, which allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas.
  • the third and the fourth opening 36, 38 both serve the removal of exhaust gas. But it can also be provided a different assignment, which can be changed in particular during operation, as will be explained with respect to the other embodiments.
  • the third opening 36 and the fourth opening 38 are formed here as slots. The control of the third and fourth openings 36, 38 takes place via the piston 12. In particular, no further element is required to control the function of the third and fourth openings 36, 38.
  • the linear generator 44 has a rotor 46, which is arranged on the piston 12. Along the stroke direction 18 a plurality of magnets 48 are arranged on the rotor, which cooperate with a stator 50 for generating electrical energy.
  • the stator 50 has a plurality of windings 52 in which a current is induced by means of the magnets 48.
  • the windings 52 are cooled by means of cooling channels 54.
  • a second piston 58 is arranged in the piston receptacle 14, which with a second section of the inner wall 60 of the piston receptacle 14 forms a fluid buffer space 62 limited and is substantially rigidly connected to the first piston 12 via the rotor 46.
  • the fluid buffer space 62 there is such an amount of a fluid 64, in particular air, that the bottom dead center of the piston 12 shown is set in the first operating state.
  • the adjustment of the amount of the fluid 64 via a control valve 66, with the fluid 64 can be discharged from the fluid buffer chamber 62 or the fluid buffer space 62 can be supplied.
  • the piston assembly 68 After the fuel mixture ignites in the expansion space 40, the piston assembly 68, so the first piston 12, the rotor 46 and the second piston 58, to the right (relative to the figure) moves. As a result, the expansion space 40 increases on the one hand and the fluid buffer space 62 on the other hand decreases. By passing the magnets 48 past the stator 50, a portion of the kinetic energy of the piston assembly 68 is converted to electrical energy. The remaining part of the Kinetic energy causes the movement of the piston assembly 68 continues until the pressure in the fluid buffer space 62 is so large that the movement of the piston assembly 68 is stopped.
  • the fluid 64 relaxes again and pushes the piston assembly 68 to the left (with respect to the figure).
  • This movement possibly even earlier, opens the first valve 26 and fresh fuel mixture flows into the expansion space 40.
  • Almost at the same time or with a small time offset opens the second valve 28, so that the exhaust gas located in the expansion chamber 40 by the second Opening 24 is pushed out.
  • the piston assembly 68, in particular the piston 12 again reaches a position at which a further ignition can take place. The cycle described is then repeated again.
  • Fig. 2 the free-piston engine 10 is shown in a second operating state, here the full load operation, the piston 12 is shown here at the bottom dead center, which it occupies at maximum stroke.
  • the piston assembly 68 In order for the piston assembly 68 to assume this position, the amount of fluid 64 in the fluid buffer space 62 has been reduced by venting a portion of the fluid 64 through the control valve 66.
  • the third and fourth openings 36, 38 are now open, the exhaust gas by the pressure of the fuel mixture supplied, possibly supported by the movement of the piston 12, through the second, third and fourth openings 24, 36, 38 exit.
  • the purging of the expansion space 40 is on the one hand improved by the fact that the exhaust gas has to overcome a lower back pressure.
  • the flushing is improved because now a reversal flushing, see flushing path 30, with a longitudinal flush, see Spülwege 30 ', combined.
  • the second opening 24 closed to keep sen, so that instead of the reverse purge 30 in the first operating state now only a longitudinal purge 30 'sets.
  • Fig. 3 shows a second embodiment in which the first and third openings 22, 36 serve the supply of fuel mixture and the second and fourth openings of the discharge of exhaust gas.
  • this embodiment combines a reverse purge, see purge 30, a purge, see purge 30 'and purge, see purge 30' Further, top dead 70 and bottom dead 72 are at maximum lift It can be seen that the third opening 36, more specifically the central axis 75 of the opening 36, is located approximately at a distance of 10% of the maximum stroke 74 from the bottom dead center 72 at maximum stroke 74 Further orientation the compression direction 76 shown.
  • Fig. 4 shows a third embodiment in which the first, third and fourth openings 22, 36, 38 are used for the supply of fuel mixture and the second opening 24 of the discharge of exhaust gas.
  • the longitudinal rinses see rinsing paths 30 ", run here approximately in the compression direction 76, i.e. the movement of the piston arrangement 68, and in particular of the piston 12, and the rinsing paths 30 'run approximately in the same direction during the rinsing process, namely the compression direction 76.
  • FIG 5 shows a fourth exemplary embodiment, in which the first and second openings 22, 24 for the supply of fuel mixture and the third and fourth openings 36, 38 of FIG Discharge of exhaust serve.
  • the peculiarity of this Ausumngsbeispiels is that the function of the second opening 24 is switched for the second operating state, that is, while the second opening 24 was still used in the first operating state, the removal of exhaust gas, it is now used for a supply of fuel mixture.
  • Fig. 6 shows a fifth embodiment in which the first and the second opening 22, 24 of the discharge of exhaust gas and the third and fourth openings 36, 38 serve the supply of fuel mixture. It turns here a rinsing, see Spülwege 30 ', which is approximately rectified to the compression direction 76.
  • FIG. 7 shows a sixth exemplary embodiment, in which it is shown that the third and fourth openings 36, 38 can also be arranged further from bottom dead center 72 at maximum stroke 74. Also shown in the figure are a third valve 78 and a fourth valve 80 which are adapted to respectively release and close the third and fourth openings 36, 38 over time. This allows additional control options when changing gas.
  • the valves 78, 80 can be arranged in many ways. Here is symbolized an arrangement in which the valves open to the outside.
  • the third port 36 which serves to supply fuel mixture, is located closer to the bottom dead center 72 than the fourth port 38, which serves for the removal of exhaust gas. In this way it can be achieved that the third opening 36 for the supply of fuel mixture is already completely or partially closed by the piston 12, while the fourth opening 38 for the discharge of exhaust gas is still open.
  • FIG. 8 shows a seventh embodiment in which the first opening for the supply of fuel mixture, here only the fuel, is designed as an injection nozzle 82.
  • the valves 78, 80 an arrangement is symbolized here, in which the valves open inwardly into the piston receptacle 14.
  • the supply of fresh air is not shown here, but can preferably be done by a fresh air supply line, in particular with valve control.
  • the present invention thus shows an improved free-piston engine, which on the one hand can make use of the advantages of a variable stroke and on the other hand ensures that a good operating characteristic with regard to the efficiency and the exhaust gas values is ensured even during high-load operation, in particular during full-load operation.
  • the embodiments shown here can be recombined with one another and that it is possible in particular to change the functions of the individual openings over time, in particular during the operation of the free-piston engine.
  • the piston at full load releases the at least one opening, which is designed in particular as a slot, new flushing paths can be formed, which optimize the gas exchange.
  • the normally poorly rinsed lower area ie in the vicinity of the end face of the piston, is now better rinsed.

Abstract

The invention relates to a free-piston engine (10) having variable hub, comprising a piston (12) and a piston receptacle (14) having a side wall (16), along which the piston (12) can be displaced in a linear way, and having a first opening (22) and a second opening (24) which are designed for supplying a fuel mixture (24) and discharging exhaust gas (32), characterized in that on the side wall (16) a third opening (36) is designed for enabling a supply of fuel mixture (34) or a discharge of exhaust gas (32). The invention further relates to a corresponding method for operating a free-piston engine (10) and to the use of openings (22, 24, 36, 38) in a piston receptacle (14) of a free-piston engine (10).

Description

Freikolbenmotor mit variablem Hub. Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors und Verwendung von Öffnungen in einer Kolbenaufnahme Free-piston engine with variable stroke. Method for operating a free-piston engine and use of openings in a piston receptacle
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor mit variablem Hub, aufweisend einen Kolben und eine Kolbenaufnahme mit einer Seitenwand, entlang derer sich der Kolben linear verlagern kann, und mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung, die dafür ausgebildet sind, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch und eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen.The present invention relates to a free-piston engine with variable stroke, comprising a piston and a piston receptacle with a side wall along which the piston can linearly displace, and having a first opening and a second opening, which are adapted for a supply of fuel mixture and a Allow removal of exhaust gas.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors mit den folgenden Schritten:The invention further relates to a method for operating a free-piston engine with the following steps:
Verlagern eines Kolbens in einer Kolbenaufnahme bei variablem Hub, und in einem ersten Betriebszustand, Zuführen von Brennstoffgemisch und Abführen von Abgas mittels einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung.Displacing a piston in a piston seat with variable stroke, and in a first operating state, supplying fuel mixture and exhausting exhaust gas by means of a first opening and a second opening.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Verwendung von Öffnungen in einer Kolbenaufnahme eines Freikolbenmotors, wobei in einem ersten Betriebszustand eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung für ein Zuführen von Brennstoffgemisch und ein Abführen von Abgas verwendet werden.Finally, the invention also relates to a use of openings in a piston seat of a free-piston engine, wherein in a first operating state, a first opening and a second opening for supplying fuel mixture and a discharge of exhaust gas are used.
Ein solcher Freikolbenmotor, ein solches Verfahren und eine solche Verwendung sind aus der WO 03/091556 Al bekannt.Such a free piston engine, such a method and such use are known from WO 03/091556 Al.
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.A free-piston engine has a drive part and a working part. By an expansion process in an expansion space of the working part of the piston is displaced in the piston seat. In particular, 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. It is characteristic of the free-piston engine that this kinetic energy of the piston is not mechanically decoupled in the working part, so not on mechanical engines, as would be the case for example with a crank mechanism. Instead, the power output is non-mechanical, the working part is designed in particular as a pump, compressor or generator.
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.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.
Wenngleich sich die vorliegende Erfindung unabhängig vom Wirkprinzip des Arbeitsteils anwenden lässt, richtet sich das Augenmerk der nachfolgenden Betrachtun- gen 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.Although the present invention can be applied independently of the working principle of the working part, the attention of the following considerations gen on a free-piston engine with integrated linear generator for generating electrical energy, which is also referred to as free piston generator. Promising approaches have been shown in the past, suggesting that a free-piston engine with integrated linear generator could be suitable for a variety of applications and could be brought to a production-ready maturity. Therefore, the following explanations on the free piston generator, even if the mediated teachings can be transferred directly to free-piston engines whose working part is based on a different principle of action and is designed in particular as a pump or compressor.
Ein Freikolbenmotor bietet aufgrund der fehlenden mechanischen Anbindung, also insbesondere aufgrund einer fehlenden Kurbelwelle, eine variable Einstellung des Hubraums und der Verdichtung. 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).A free piston engine offers due to the lack of mechanical connection, so in particular due to a missing crankshaft, a variable adjustment of the displacement and the compression. 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).
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).Further advantages of the free-piston engine are its compact, simple construction and its modularity, which enables a power multiplication by a simple coupling of several modules. In particular, 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 the scalability with regard to the power output enable further applications, for example as an emergency generator or as an auxiliary power unit (APU).
Die eingangs genannte WO 03/091556 Al zeigt einen fortschrittlichen Freikolbenmotor auf, der bei Volllast einen großen Expansionsraum beziehungsweise Brennraum zur Verfügung stellen kann und dahingegen im Teillastbetrieb lediglich einen deutlich geringeren Expansionsraum verwendet. Durch eine besondere Ansteuerung des Freikolbenmotors lassen sich die gewünschten Umkehrpunkte beziehungsweise Totpunkte, die Kolbengeschwindigkeit und die Verdichtung einstellen.The aforementioned WO 03/091556 A1 shows an advanced free-piston engine, which can provide a large expansion chamber or combustion chamber at full load and, in contrast, only one during partial load operation used significantly lower expansion space. 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.
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.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.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Freikolbenmotor aufzuzeigen, der eine verbesserte Betriebscharakteristik, gerade im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Abgaswerte, insbesondere beim Hochlast- oder Volllastbetrieb, bietet. Dabei ist es ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors aufzuzeigen. Schließlich ist es auch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine entsprechende verbesserte Verwendung von Öffnungen in einer Kolbenaufnahme eines Freikolbenmotors aufzuzeigen.It is an object of the present invention to provide a free-piston engine that provides improved operating characteristics, especially in terms of efficiency and exhaust emissions, particularly in high load or full load operation. It is also the object of the present invention to provide a corresponding improved method for operating a free-piston engine. Finally, it is also the object of the present invention to provide a corresponding improved use of openings in a piston seat of a free-piston engine.
Die Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Freikolbenmotor mit variablem Hub dadurch gelöst, dass an der Seitenwand mindestens eine weitere, dritte Öffnung dafür ausgebildet ist, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch oder eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen.The object is achieved in a free-piston engine with variable stroke mentioned above in that on the side wall at least one further, third opening is adapted to allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas.
Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass die Betriebscharakteristik des bekannten Freikolbenmotors gerade beim Hochlastbetrieb, insbesondere beim Volllastbetrieb, verbessert werden kann. Unter dem Begriff des Hochlastbetriebs soll dabei ein Betriebszustand des Freikolbenmotors verstanden werden, bei dem er mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70 % und insbesondere mindestens 90 % seiner maximal verfügbaren Leistung abgibt. Der Hochlastbetrieb umfasst also auch den Volllastbetrieb. Da bei einem 2-Takt-Betrieb kein eigener Zyklus für das Ausstoßen von Abgas vorhanden ist, muss eine sog. Spülung des Expansionsraums beziehungsweise des Brennraums erfolgen. Das heißt, es muss nahezu gleichzeitig sowohl die Zufuhr von Brennstoffgemisch als auch die Abfuhr von Abgas durchgeführt werden. Dabei wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass sich im Teillastbetrieb ein ausreichend vollständiges Spülen des Brennraums erzielen lässt, sich jedoch der mit steigender Leistungsanforderung größer werdende Hubraum, insbesondere im Hochlastbereich, immer schwerer vollständig spülen lässt.In the context of the invention it has been found that the operating characteristics of the known free-piston engine can be improved, especially during high-load operation, in particular during full-load operation. The term high-load operation should be understood to mean an operating state of the free-piston engine in which it emits 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. Since in a 2-stroke operation no separate cycle for the emission of exhaust gas is present, a so-called. Purging of the expansion space or the combustion chamber must take place. That is, it must be almost simultaneously performed both the supply of fuel mixture and the removal of exhaust gas. It was found within the scope of the invention that a sufficiently complete purging of the combustion chamber can be achieved in partial load operation, however, the increasing capacity with increasing power demand displacement, especially in the high load range, always difficult to completely rinse.
Der eingangs genannte Freikolbenmotor verwendet eine Umkehrspülung, die aufgrund des immer länger werdenden Spülwegs erschwert wird. Außerdem wird immer mehr Energie benötigt, um den Gaswechsel, also die Abfuhr von Abgas und die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch, zu realisieren. Zudem wurde festgestellt, dass der Restabgasgehalt ansteigt, da insbesondere die unteren Bereiche des Brennraums, also in der Nähe des Kolbens, nicht mehr vollständig mit frischem Brennstoff gemisch beziehungsweise Frischgas gefüllt werden können.The above-mentioned free-piston engine uses a reverse purge, which is difficult due to the increasingly lengthy Spülwegs. In addition, more and more energy is needed to realize the gas exchange, ie the removal of exhaust gas and the supply of fresh fuel mixture. In addition, it was found that the residual exhaust gas content increases, since in particular the lower areas of the combustion chamber, ie in the vicinity of the piston, can no longer be completely filled with fresh fuel or fresh gas.
Um das Problem, das im Rahmen dieser Erfindung erkannt wurde, zu lösen, wird vorgeschlagen, dass an der Seitenwand der Kolbenaufnahme eine dritte Öffnung ausgebildet ist. Diese dritte Öffnung dient der Zufuhr von Brennstoffgemisch oder der Abfuhr von Abgas. Dabei ist es insbesondere so, dass die dritte Öffnung in einem ersten Betriebszustand keine Funktion hat, d.h. die dritte Öffnung ist im ersten Betriebszustand geschlossen, verdeckt oder einfach unbenutzt und wird erst im zweiten Betriebszustand geöffnet, freigegeben oder benutzt. Bei dem ersten Betriebszustand handelt es sich insbesondere um einen Teillastbetrieb, und bei dem zweiten Betriebszustand handelt es sich insbesondere um einen Hochlastbetrieb, besonders bevorzugt um einen Volllastbetrieb.In order to solve the problem that has been recognized in the context of this invention, it is proposed that a third opening is formed on the side wall of the piston receptacle. This third opening serves for the supply of fuel mixture or the removal of exhaust gas. In this case, in particular, the third opening has no function in a first operating state, i. the third opening is closed in the first operating state, concealed or simply unused and is only opened, released or used in the second operating state. The first operating state is in particular a part-load operation, and the second operating state is, in particular, a high-load operation, particularly preferably a full-load operation.
Für den ersten Betriebszustand sei angenommen, dass die erste Öffnung der Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch und die zweiten Öffnung der Abfuhr von Abgas dient. Die erste Öffnung dient dann als Einlass und die zweite Öffnung als Auslass. Dabei ist es im ersten Betriebszustand bevorzugt, dass die dritte Öffnung inaktiv ist, also insbesondere keinen Einfluss auf die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch oder die Abfuhr von Abgas hat.For the first operating state, it is assumed that the first opening of the supply of fresh fuel mixture and the second opening of the discharge of exhaust gas is used. The first opening then serves as an inlet and the second opening as an outlet. It is preferred in the first operating state that the third opening is inactive, in particular, it has no influence on the supply of fresh fuel mixture or the removal of exhaust gas.
Im zweiten Betriebszustand kommt nun die dritte Öffnung zum Einsatz, wobei insbesondere die folgenden Betriebsarten als vorteilhaft erachtet werden:In the second operating state, the third opening is now used, the following operating modes in particular being considered advantageous:
1) Die dritte Öffnung wird für die Abfuhr von Abgas verwendet. Dadurch verringert sich der Staudruck, wenn das Abgas aus dem Brennraum herausgedrückt werden soll. Dadurch kann das Abgas vollständiger aus dem Brennraum abgeführt werden. Außerdem kann die dritte Öffnung derart angeordnet werden, dass sich ein weiterer Spülweg, also der Weg entlang dessen das Abgas mit Hilfe des frischen Brennstoffgemischs aus dem Brennraum hinausgedrückt wird, ergibt. Dadurch kann der Effekt, dass bestimmte Bereiche des Brennraums nicht oder schlecht gespült werden, verringert oder sogar verhindert werden.1) The third port is used for the removal of exhaust gas. This reduces the back pressure when the exhaust gas is to be forced out of the combustion chamber. As a result, the exhaust gas can be more completely discharged from the combustion chamber. In addition, the third opening can be arranged such that a further flushing path, ie the path along which the exhaust gas is forced out of the combustion chamber with the aid of the fresh fuel mixture, results. Thereby, the effect that certain areas of the combustion chamber are not or poorly flushed, can be reduced or even prevented.
2) Die dritte Öffnung wird für die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch verwendet. Auf diese Weise kann das Abgas noch gezielter in Richtung der zweiten Öffnung verdrängt werden. Auf diese Weise können außerdem die ehemals schwer zu spülenden Bereiche besser mit frischem Kraftstoffgemisch gefüllt werden.2) The third port is used for the supply of fresh fuel mixture. In this way, the exhaust gas can be displaced even more targeted towards the second opening. In this way, the previously difficult to flush areas can be better filled with fresh fuel mixture.
3) Die erste Öffnung wird passiv geschaltet, insbesondere verschlossen, und die dritte Öffnung übernimmt die Funktion der Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch. Auf diese Weise ist es möglich, für den zweiten Betriebszustand einen anderen Spülweg bereitzustellen als für den ersten Betriebszustand. Diese Betriebsart ist gegenüber der nachstehend beschriebenen Betriebsart etwas bevorzugt, da Kolbenbewegung bei der Kompression und Spülweg dann in etwa gleich gerichtet sind, was zu einem besonders guten Spülergebnis führt.3) The first opening is switched to passive, in particular closed, and the third opening takes over the function of supplying fresh fuel mixture. In this way it is possible to provide a different rinse path for the second operating state than for the first operating state. This mode of operation is somewhat preferred over the mode of operation described below, since piston movement in the compression and rinse path are then approximately the same, resulting in a particularly good rinsing result.
4) Die zweite Öffnung wird passiv geschaltet, insbesondere verschlossen und die dritte Öffnung übernimmt die Funktion der Abfuhr von Abgas. Auch auf diese Weise ist es möglich, für den zweiten Betriebszustand einen anderen Spülweg bereitzustellen als für den ersten Betriebszustand.4) The second opening is switched passive, in particular closed and the third opening takes over the function of the removal of exhaust gas. Also on this Way, it is possible to provide a different rinse path for the second operating state than for the first operating state.
Erste Versuche zeigen, dass die Betriebsart 1) gewisse Vorteile zu bieten scheint. Es ist aber grundsätzlich möglich, jede der Betriebsarten einzusetzen. Dabei können die Betriebsarten auch abwechselnd eingesetzt und insbesondere während des Betriebs verändert werden.First experiments show that the operating mode 1) seems to offer certain advantages. However, it is basically possible to use each of the operating modes. The operating modes can also be used alternately and in particular be changed during operation.
Wenn eine Öffnung für eine Zufuhr von Brennstoffgemisch ausgebildet ist, kann man sie auch als Einlassöffnung bezeichnen, an der dann insbesondere eine Brennstoffgemischzufuhrleitung angeordnet ist, über die Frischluft oder Brennstoff oder ein Gemisch aus Frischluft und Brennstoff zugeführt wird. Wenn eine Öffnung für eine Abfuhr von Abgas ausgebildet ist, kann man sie auch als Auslassöffnung bezeichnen, an der dann insbesondere eine Abgasleitung angeordnet ist.If an opening for a supply of fuel mixture is formed, it can also be referred to as an inlet opening, to which then in particular a fuel mixture supply line is arranged, is supplied via the fresh air or fuel or a mixture of fresh air and fuel. If an opening for a discharge of exhaust gas is formed, it can also be referred to as an outlet opening, on which then in particular an exhaust gas line is arranged.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass das Brennstoffgemisch, das später im Brennraum verbrannt wird, nicht mit all seinen Bestandteilen durch die gleiche Öffnung eingebracht werden muss. Zwar ist es bevorzugt, dass das Brennstoffgemisch bereits eine Mischung von Frischluft und Brennstoff ist, doch ist es auch möglich einen Teil, z.B. nur die Frischluft durch eine Öffnung für eine Zufuhr von Brennstoffgemisch in den Brennraum zu führen und den Brennstoff auf einem anderen Weg, insbesondere mittels einer Einspritzdüse. Bei einer solchen Ausgestaltung gelangt über die Öffnung, die für eine Zufuhr von Brennstoffgemisch ausgebildet ist, nur Frischluft in den Brennraum.In addition, it should be noted that the fuel mixture which is later burned in the combustion chamber, must not be introduced with all its components through the same opening. While it is preferred that the fuel mixture is already a mixture of fresh air and fuel, it is also possible to have a portion, e.g. only to lead the fresh air through an opening for a supply of fuel mixture in the combustion chamber and the fuel in another way, in particular by means of an injection nozzle. In such a configuration passes through the opening, which is designed for a supply of fuel mixture, only fresh air into the combustion chamber.
Damit ist die eingangs gestellte Aufgabe vollständig gelöst.Thus, the initially asked task is completely solved.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die dritte Öffnung in einem Abschnitt der Seitenwand angeordnet, den die Stirnseite des Kolbens bei einer Bewegung mit maximalen Hub überstreicht. Die dritte Öffnung ist also so angeordnet, dass sie aufgrund der Bewegung des Kolbens ab einem bestimmten Zeitpunkt freigegeben wird, sofern der Kolben eine Bewegung mit ausreichend großem, insbesondere maximalem Hub durchführt. Daher kann der Einsatz der dritten Öffnung, insbesondere das Freigeben der dritten Öffnung, auf einfache Weise mittels des Kolbens gesteuert werden. Je nachdem, ob die dritte Öffnung bezogen auf den unteren Totpunkt bei maximalem Hub weiter entfernt oder näher an diesem unteren Totpunkt angeordnet ist, erfolgt die Freigabe der dritten Öffnung bereits bei geringerer Leistungsanforderung oder erst bei höherer Leistungsanforderung.In an advantageous embodiment of the invention, the third opening is arranged in a portion of the side wall, which sweeps over the end face of the piston in a movement with maximum stroke. The third opening is thus arranged so that it is released due to the movement of the piston from a certain time, provided that the piston performs a movement with a sufficiently large, in particular maximum stroke. Therefore, the use of the third opening, in particular the release of the third opening, can be controlled in a simple manner by means of the piston. Depending on whether the third opening with respect to the bottom dead center at maximum stroke farther away or closer to this bottom dead center, the release of the third opening is already at a lower power requirement or only at higher power requirement.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die dritte Öffnung in einem Abschnitt der Seitenwand derart angeordnet, dass die dritte Öffnung bei einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors am unteren Totpunkt einer Bewegung des Kolbens verdeckt ist und bei einem zweiten Betriebszustand des Freikolbenmotors am unteren Totpunkt einer Bewegung des Kolbens freigegeben ist.In a further advantageous embodiment of the invention, the third opening in a portion of the side wall is arranged such that the third opening is concealed at a first operating state of the free-piston engine at bottom dead center movement of the piston and at a second operating state of the free-piston engine at the bottom dead center of a movement of the piston is released.
Auf diese Weise lässt sich die Aktivierung der dritten Öffnung in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe einfach realisieren. Sofern der Kolben im ersten Betriebszustand, also insbesondere im Teillastbereich, eine eher kurze Hubbewegung durchführt, bleibt die dritte Öffnung inaktiv, da sie keine Verbindung zum Expansionsraum hat, insbesondere vom Kolben verdeckt ist. Die Spülung des Expansionsraums beziehungsweise des Brennraums findet dann entlang eines Spülwegs von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung statt. Im zweiten Betriebszustand wird die dritte Öffnung dann freigegeben, und es kann eine der oben genannten Betriebsarten eingestellt werden.In this way, the activation of the third opening depending on the power output can be easily realized. If the piston in the first operating state, ie in particular in the partial load range, performs a rather short stroke movement, the third opening remains inactive since it has no connection to the expansion space, in particular is covered by the piston. The purging of the expansion space or of the combustion chamber then takes place along a flushing path from the first opening to the second opening. In the second operating state, the third opening is then released, and one of the above-mentioned operating modes can be set.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die dritte Öffnung höchstens 50 %, bevorzugt höchstens 30 % und insbesondere höchstens 15 % des maximalen Hubs vom unteren Totpunkt bei maximalem Hub entfernt angeordnet. So kann auf einfache Weise eingestellt werden, dass die dritte Öffnung bei geringer Leistungsabgabe inaktiv bleibt und erst bei höherer Leistungsabgabe, insbesondere im Hochlastbetrieb, ihre Funktion aufnimmt.In a further advantageous embodiment of the invention, the third opening is arranged at most 50%, preferably at most 30% and in particular at most 15% of the maximum stroke from bottom dead center at maximum stroke. Thus, it can be set in a simple manner that the third opening remains inactive at low power output and only at higher power output, especially in high load operation, resumes its function.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Öffnung ein erstes Ventil auf, das dafür ausgebildet ist, die erste Öffnung über der Zeit freizugeben und zu verschließen. Auf diese Weise lässt sich die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch oder die Abfuhr von Abgas besonders gut steuern. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit dieser Anmeldung die Begriffe "Steuern" oder "Steuerung" neben Steuermechanismen auch einfache Stellmechanismen und Regelmechanismen mit oder ohne Rückkopplung bedeuten können.In a further advantageous embodiment of the invention, the first opening has a first valve, which is designed to release the first opening over time and to close. In this way, the supply of fresh fuel mixture or the removal of exhaust gas can control particularly well. It should be noted at this point that in the context of this application, the terms "control" or "control" in addition to control mechanisms can also mean simple adjusting mechanisms and control mechanisms with or without feedback.
Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass es vorteilhaft ist, das erste Ventil als Einspritzdüse auszubilden. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die zweite Öffnung ein zweites Ventil aufweist, das dafür ausgebildet ist, die zweite Öffnung über der Zeit freizugeben und zu verschließen, selbst wenn die erste Öffnung kein erstes Ventil aufweist. Besonders bevorzugt ist es aber, wenn sowohl die erste Öffnung als auch die zweite Öffnung jeweils ein Ventil aufweisen. Bevorzugt ist es dann außerdem, wenn die dritte Öffnung ein Ventil aufweist, das dafür ausgebildet ist, die dritte Öffnung über der Zeit freizugeben und zu verschließen.It should also be noted that it is advantageous to form the first valve as an injection nozzle. In addition, it is advantageous if the second opening has a second valve which is designed to release and close the second opening over time, even if the first opening does not have a first valve. However, it is particularly preferred if both the first opening and the second opening each have a valve. It is also preferred if the third opening has a valve adapted to release and close the third opening over time.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Öffnung an einer Stirnwand der Kolbenaufnahme angeordnet.In a further advantageous embodiment of the invention, the first opening is arranged on an end wall of the piston receptacle.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft im Hinblick auf die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch in den Expansionsraum beziehungsweise Brennraum und bezüglich des Spülwegs, der für die Abfuhr von Abgas ausgebildet wird. Da die erste Öffnung zu keinem Zeitpunkt vom Kolben verdeckt wird, kann die Verwendung und/oder die Betätigung der ersten Öffnung unabhängig von der Leistungsabgabe des Freikolbenmotors vorgenommen werden. Unter der Stirnwand soll dabei der Teil der Kolben- aufnahme verstanden werden, der der Stirnseite des Kolbens zugewandt ist. Alterna- tiv hierzu, kann die zweite Öffnung an einer Stirnwand der Kolbenaufnahme angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl die erste als auch die zweite Öffnung an der Stirnwand angeordnet sind.This embodiment is advantageous with regard to the supply of fresh fuel mixture in the expansion space or combustion chamber and with respect to the rinsing path, which is formed for the removal of exhaust gas. Since the first opening is never covered by the piston, the use and / or the operation of the first opening can be made independently of the power output of the free-piston engine. Under the end wall is to be understood the part of the piston receiving, which faces the end face of the piston. alternatives In addition to this, the second opening can be arranged on an end wall of the piston receptacle. It is particularly preferred if both the first and the second opening are arranged on the end wall.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der variable Hub als Wegstrecke zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt beschrieben, wobei insbesondere der untere Totpunkt variierbar ist.In a further advantageous embodiment of the invention, the variable stroke is described as the distance between a top dead center and a bottom dead center, wherein in particular the bottom dead center is variable.
Zunächst ist festzustellen, dass bei einem Freikolbenmotor der obere und der untere Totpunkt variierbar sind, weil es keine feste mechanische Anbindung gibt, wie zum Beispiel an einer Kurbelwelle, die einen definierten Hub vorgibt. Der obere Totpunkt benötigt bezüglich seiner Variabilität aber lediglich einen eher geringen Spielraum, da sich zum Beispiel Änderungen bei der Verdichtung bereits durch kleine Veränderungen des oberen Totpunkts bewirken lassen.First, it should be noted that in a free piston engine, the top and bottom dead centers are variable, because there is no fixed mechanical connection, such as on a crankshaft, which defines a defined stroke. The top dead center, however, only requires a rather small margin in terms of its variability, since, for example, changes in the compression can already be effected by small changes in top dead center.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der untere Totpunkt über einen großen Bereich variabel ist, um ein großes Spektrum von Leistungsabgaben, insbesondere vom Leerlauf bis hin zur Volllast, abdecken zu können. Beim ersten Betriebszustand wird der untere Totpunkt dann bevorzugt so gewählt, dass der Kolben die dritte Öffnung verdeckt, wohingegen der untere Totpunkt beim zweiten Betriebszustand so gewählt wird, dass die dritte Öffnung während des Hubs freigegeben wird. Der untere Totpunkt lässt sich daher bevorzugt in einem Bereich von 50% des maximalen Hubs, besonders bevorzugt in einem Bereich von 70% des maximalen Hubs und insbesondere in einem Bereich von 90% des maximalen Hubs, jeweils gerechnet vom maximalen unteren Totpunkt, variieren.In the context of the invention, it is considered to be particularly advantageous if the bottom dead center is variable over a large range in order to cover a wide range of power outputs, in particular from idling to full load. In the first operating state of the bottom dead center is then preferably chosen so that the piston covers the third opening, whereas the bottom dead center in the second operating state is selected so that the third opening is released during the stroke. The bottom dead center can therefore be preferably in a range of 50% of the maximum stroke, more preferably in a range of 70% of the maximum stroke and in particular in a range of 90% of the maximum stroke, each calculated from the maximum bottom dead center, vary.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an der Seitenwand eine vierte Öffnung dafür ausgebildet, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch oder eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen. Diese Ausgestaltung eröffnet weitere Möglichkeiten, die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch und die Abfuhr von Abgas zu gestalten. Wie noch im Hinblick auf die Ausführungsbeispiele näher erläutert wird, können im zweiten Betriebszustand, also insbesondere im Hochlastbetrieb, die Öffnungen variabel für die Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch und die Abfuhr von Abgas eingesetzt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, a fourth opening is formed on the side wall to allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas. This embodiment opens up further possibilities for designing the supply of fresh fuel mixture and the removal of exhaust gas. As will be explained in more detail with regard to the exemplary embodiments, in the second operating state, that is to say in particular in high-load operation, the openings can be used variably for the supply of fresh fuel mixture and the removal of exhaust gas.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die dritte und die vierte Öffnung der Zufuhr von Brennstoffgemisch und die erste und/oder die zweite Öffnung der Abfuhr von Abgas dienen. Dann ist die Richtung des Spülwegs in etwa gleich gerichtet zur Kolbenbewegung, was zu einem guten Spülergebnis führt. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die vierte Öffnung bezogen auf die Hubrichtung des Kolbens an derselben Stelle, jedoch in radialer Richtung versetzt, angeordnet ist. Dabei kann die vierte Öffnung insbesondere in Bezug auf eine Mittelachse der Kolbenaufnahme gegenüber von der dritten Öffnung angeordnet sein.Furthermore, it is preferred if the third and the fourth opening of the supply of fuel mixture and the first and / or the second opening serve for the removal of exhaust gas. Then the direction of the flushing path is approximately the same for the piston movement, which leads to a good rinsing result. It is also preferred if the fourth opening is arranged at the same location with respect to the stroke direction of the piston, but offset in the radial direction. In this case, the fourth opening can be arranged in particular with respect to a center axis of the piston receptacle opposite the third opening.
Be einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist/sind die dritte Öffnung und/oder die vierte Öffnung als Schlitz ausgeführt.Be a further advantageous embodiment of the invention is / are the third opening and / or the fourth opening designed as a slot.
Die dritte Öffnung und/oder die vierte Öffnung sind dabei insbesondere in der Art eines Schlitzes ausgeführt, wie er aus dem Gebiet der 2-Takt-Motoren bekannt ist. Das Öffnen und Verschließen der dritten Öffnung und/oder der vierten Öffnung lässt sich dann besonders einfach mittels des Kolbens realisieren, insbesondere ohne die Notwendigkeit weiterer beweglicher Teile. Der jeweilige Schlitz kann einfach in der Seitenwand der Kolbenaufnahme ausgebildet sein.The third opening and / or the fourth opening are designed in particular in the manner of a slot, as it is known from the field of 2-stroke engines. The opening and closing of the third opening and / or the fourth opening can then be realized particularly easily by means of the piston, in particular without the need for further moving parts. The respective slot can be easily formed in the side wall of the piston seat.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Öffnung für die Zufuhr von Brennstoffgemisch und die anderen Öffnungen für die Abfuhr von Abgas ausgebildet.In a further advantageous embodiment of the invention, the first opening for the supply of fuel mixture and the other openings for the removal of exhaust gas are formed.
Dadurch entsteht beim Ausstoßen des Abgas nur ein geringer Staudruck, so dass eine gute Spülung erzielt werden kann. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist, zusätzlich zu dem genannten, ersten Kolben, der mit einem ersten Abschnitt einer Innenwand der Kolbenaufnahme einen Expansionsraum begrenzt, ein zweiter Kolben in der Kolbenaufnahme angeordnet, der mit einem zweiten Abschnitt der Innenwand der Kolbenaufnahme einen Fluidpufferraum begrenzt.As a result, when the exhaust gas is exhausted, there is only a slight back pressure, so that good flushing can be achieved. In a further advantageous embodiment of the invention, in addition to the said first piston which defines an expansion space with a first portion of an inner wall of the piston receptacle, a second piston arranged in the piston receptacle, which limits a fluid buffer space with a second portion of the inner wall of the piston receptacle ,
Diese Ausgestaltung ermöglicht in besonders günstiger Weise die Rückkehr des Kolbens in eine Position, an der ein weiterer Verbrennungsvorgang stattfinden kann. Durch die Expansion im Expansionsraum, beziehungsweise die Verbrennung im Brennraum, wird der zweite Kolben in die Richtung des Fluidpufferraums verlagert, so dass ein darin befindliches Fluid, insbesondere ein Gas und insbesondere bevorzugt Luft, verdichtet. Die kinetische Energie der Kolbenanordnung, die den ersten und den zweiten Kolben aufweist, die durch das Arbeitsteil des Freikolbenmotors nicht ausgekoppelt wurde, wird in eine Komprimierung des Fluids umgesetzt, so dass der Kolben wieder in Richtung des Expansionsraums zurückschnellt, wenn sich das Fluid im Fluidpufferraum entspannt. Der erste und der zweite Kolben sind dabei insbesondere im Wesentlichen starr miteinander verbunden.This embodiment allows in a particularly favorable manner, the return of the piston in a position at which a further combustion process can take place. Due to the expansion in the expansion space, or the combustion in the combustion chamber, the second piston is displaced in the direction of the fluid buffer space, so that a fluid therein, in particular a gas, and in particular preferably compressed air. The kinetic energy of the piston assembly having the first and second pistons not decoupled by the working portion of the free piston engine is translated into compression of the fluid such that the piston recoils toward the expansion space as the fluid in the fluid buffer space relaxed. The first and the second piston are in particular substantially rigidly connected to each other.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Kolben ein Läufer angeordnet, an dem entlang der Hubrichtung Magnete angeordnet sind, die mit einem Stator zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirken.In a further advantageous embodiment of the invention, a rotor is arranged on the piston, along which magnets are arranged along the stroke direction, which cooperate with a stator for generating electrical energy.
So lässt sich auf einfache Weise zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Kolbens beziehungsweise einer Kolbenanordnung, zu der auch der Läufer gehört, in elektrische Energie umwandeln.Thus, in a simple manner, at least part of the kinetic energy of the piston or of a piston arrangement, which also includes the rotor, can be converted into electrical energy.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt im ersten Betriebszustand das Abführen von Abgas durch eine Öffnung und im zweiten Betriebszustand das Zuführen von Brennstoffgemisch durch dieselbe Öffnung. Auf diese Weise kann der Spülweg und/oder die Spülrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand flexibel eingestellt werden. Es ist zusätzlich oder alternativ außerdem vorteilhaft, wenn im ersten Betriebszustand das Zuführen von durch eine Öffnung und im zweiten Betriebszustand das Brennstoffgemisch Abführen von Abgas durch dieselbe Öffnung erfolgt.In a further advantageous embodiment of the invention takes place in the first operating state, the discharge of exhaust gas through an opening and in the second operating state, the supply of fuel mixture through the same opening. In this way, the rinsing path and / or the rinsing direction can be set flexibly as a function of the operating state. It is additionally or alternatively also advantageous if, in the first operating state, the supply of exhaust gas through an opening and in the second operating state the fuel mixture takes place through the same opening.
Die Aufgabe wird ferner durch ein eingangs genanntes Verfahren gelöst, bei dem in einem zweiten Betriebszustand, ein Zuführen von Brennstoffgemisch oder ein Abführen von Abgas mittels einer dritten Öffnung erfolgt. Insbesondere ist die dritte Öffnung im ersten Betriebszustand inaktiv, d.h. sie wird im Hinblick auf das Zuführen von Brennstoffgemisch und das Abführen von Abgas nicht verwendet.The object is further achieved by an aforementioned method in which, in a second operating state, a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas by means of a third opening. In particular, the third opening in the first operating state is inactive, i. it is not used in terms of supplying fuel mixture and exhaust gas discharge.
Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass ein unterer Totpunkt des Kolben in einem ersten Betriebszustand die dritte Öffnung verdeckt und dass ein unterer Totpunkt des Kolben in einem zweiten Betriebszustand die dritte Öffnung teilweise oder ganz freigibt.This is achieved, in particular, in that a bottom dead center of the piston covers the third opening in a first operating state and that a bottom dead center of the piston, in a second operating state, partially or completely releases the third opening.
Schließlich wird die Aufgabe auch durch eine Verwendung der eingangs genannten Art gelöst, bei der in einem zweiten Betriebszustand die dritte Öffnung für das Zuführen von Brennstoffgemisch oder das Abführen von Abgas verwendet wird.Finally, the object is also achieved by a use of the type mentioned, in which in a second operating state, the third opening for the supply of fuel mixture or the discharge of exhaust gas is used.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in more detail in the drawing and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 eine teilgeschnittene Darstellung einer ersten Ausführungsform einesFig. 1 is a partially sectioned view of a first embodiment of a
Freikolbenmotors im Teillastbetrieb; Fig. 2 eine teilgeschnittene Darstellung der ersten Ausführungsform desFree-piston engine in part-load operation; Fig. 2 is a partially sectioned view of the first embodiment of the
Freikolbenmotors gemäß Fig. 1 im Volllastbetrieb;Free-piston engine according to Figure 1 in full load operation.
Fig. 3 eine teilgeschnittene Darstellung einer zweiten Ausführungsform einesFig. 3 is a partially sectioned view of a second embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb;Free-piston engine in full load operation;
Fig. 4 eine teilgeschnittene Darstellung einer dritten Ausführungsform einesFig. 4 is a partially sectioned view of a third embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb;Free-piston engine in full load operation;
Fig. 5 eine teilgeschnittene Darstellung einer vierten Ausfuhrungsform einesFig. 5 is a partially sectioned view of a fourth embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb;Free-piston engine in full load operation;
Fig. 6 eine teilgeschnittene Darstellung einer fünften Ausführungsform einesFig. 6 is a partially sectioned view of a fifth embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb.Free-piston engine in full load operation.
Fig. 7 eine teilgeschnittene Darstellung einer sechsten Ausführungsform einesFig. 7 is a partially sectioned view of a sixth embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb; undFree-piston engine in full load operation; and
Fig. 8 eine teilgeschnittene Darstellung einer siebten Ausführungsform einesFig. 8 is a partially sectioned view of a seventh embodiment of a
Freikolbenmotors im Volllastbetrieb.Free-piston engine in full load operation.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors 10, der einen ersten Kolben 12 und eine Kolbenaufnahme 14 aufweist. Der Freikolbenmotor 10 ist hier in einer teilweise geschnittenen Ansicht gezeigt. Die Kolbenaufnahme 14 hat einen ovalen, insbesondere kreisförmigen Querschnitt. Die Kolbenaufnahme 14 hat eine Seitenwand 16, entlang derer sich der Kolben 12 linear entlang einer Hubrichtung 18 (mittels des Doppelpfeils angezeigt) verlagern kann.1 shows a first exemplary embodiment of a free-piston engine 10, which has a first piston 12 and a piston receptacle 14. The free-piston engine 10 is shown here in a partially sectioned view. The piston receptacle 14 has an oval, in particular circular cross-section. The piston receptacle 14 has a side wall 16, along which the piston 12 can shift linearly along a stroke direction 18 (indicated by the double arrow).
Die Kolbenaufnahme 14 weist außerdem eine Stirnwand 20 auf, in der eine erste Öffnung 22 und eine zweite Öffnung 24 ausgebildet sind, wobei die erste Öffnung 22 mit einer Brenngemischzufuhrleitung 23 in Verbindung steht und die zweite Öff- nung 25 mit einer Abgasabfuhrleitung 25 in Verbindung steht. Die erste Öffnung 22 und die zweite Öffnung 24 weisen hier jeweils entsprechend ein erstes Ventil 26 und ein zweites Ventil 28 auf, die dafür ausgebildet sind, die jeweilige Öffnung 22, 24 über der Zeit freizugeben und zu verschließen. Dazu werden die Ventile 26, 28 zeitlich angesteuert.The piston receptacle 14 also has an end wall 20 in which a first opening 22 and a second opening 24 are formed, wherein the first opening 22 communicates with a fuel mixture supply line 23 and the second opening tion 25 with an exhaust gas discharge line 25 is in communication. Here, the first opening 22 and the second opening 24 respectively have correspondingly a first valve 26 and a second valve 28, which are designed to release the respective opening 22, 24 over time and to close them. For this purpose, the valves 26, 28 are timed.
Die erste Öffnung ist hier dafür ausgebildet, eine Zufuhr von frischem Brennstoffgemisch zu ermöglichen, und die zweite Öffnung ist dafür ausgebildet, eine Abfuhr von Abgas zu ermöglichen. Der Vorgang der Zufuhr von Brennstoffgemisch und der Abfuhr von Abgas sind mittels eines Pfeils symbolisiert, der den Strömungsweg beziehungsweise Spülweg 30 zeigt. Dabei stellt die Pfeilspitze 32 symbolisch die Abfuhr von Abgas und das Pfeilende 34 die Zufuhr von Brennstoffgemisch dar.The first opening is here designed to allow a supply of fresh fuel mixture, and the second opening is adapted to allow a discharge of exhaust gas. The process of supplying fuel mixture and the removal of exhaust gas are symbolized by means of an arrow, which shows the flow path or purge path 30. The arrowhead 32 represents symbolically the removal of exhaust gas and the arrow end 34, the supply of fuel mixture.
An der Seitenwand 16 der Kolbenaufnahme 14 sind eine dritte Öffnung 36 und eine vierte Öffnung 38 ausgebildet, die eine Zufuhr von Brennstoffgemisch oder eine Abfuhr von Abgas ermöglichen. Bei der hier gezeigten Darstellung dienen die dritte und die vierte Öffnung 36, 38 beide der Abfuhr von Abgas. Es kann aber auch eine andere Zuordnung vorgesehen sein, die insbesondere auch während des Betriebs geändert werden kann, wie noch im Hinblick auf die weiteren Ausführungsbeispiele erläutert wird. Die dritte Öffnung 36 und die vierte Öffnung 38 sind hier als Schlitze ausgebildet. Die Ansteuerung der dritten und vierten Öffnung 36, 38 findet über den Kolben 12 statt. Insbesondere ist kein weiteres Element erforderlich die Funktion der dritten und vierten Öffnung 36, 38 zu steuern.On the side wall 16 of the piston seat 14, a third opening 36 and a fourth opening 38 are formed, which allow a supply of fuel mixture or a discharge of exhaust gas. In the illustration shown here, the third and the fourth opening 36, 38 both serve the removal of exhaust gas. But it can also be provided a different assignment, which can be changed in particular during operation, as will be explained with respect to the other embodiments. The third opening 36 and the fourth opening 38 are formed here as slots. The control of the third and fourth openings 36, 38 takes place via the piston 12. In particular, no further element is required to control the function of the third and fourth openings 36, 38.
Bei der gezeigten Position des Kolbens 12, der hier an seinem unteren Totpunkt dargestellt ist, den er während eines ersten Betriebszustands, hier einem Teillastbetrieb, erreicht, hat weder die dritte Öffnung 36 noch die vierte Öffnung 38 eine Verbindung zum Expansionsraum 40 der von der Seiten wand 16, der Stirnwand 20 und einer Stirnseite 42 des Kolbens 12 gebildet ist. Daher wird der Gaswechsel in diesem ersten Betriebszustand durch eine Umkehrspülung erzielt, die mit dem Spülweg 30 angedeutet ist. Die Funktionsweise des Arbeitsteils des Freikolbenmotors 10, der hier als Lineargenerator 44 ausgebildet ist, ist im Detail in der eingangs zitierten WO 03/091556 Al erläutert. Die dort enthaltene Offenbarung bezüglich der Funktionsweise des elektrischen Arbeitsteils, insbesondere die Offenbarung von Seite 21, Zeile 17 bis Seite 24, Zeile 22, werden hiermit in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit einbezogen.In the illustrated position of the piston 12, which is shown here at its bottom dead center, which he achieved during a first operating state, here a partial load operation, neither the third opening 36 nor the fourth opening 38 has a connection to the expansion space 40 of the sides wall 16, the end wall 20 and an end face 42 of the piston 12 is formed. Therefore, the gas exchange is achieved in this first operating state by a reverse purge, which is indicated by the Spülweg 30. The mode of operation of the working part of the free-piston engine 10, which is designed here as a linear generator 44, is explained in detail in WO 03/091556 A1 cited above. The disclosure contained therein regarding the mode of operation of the electrical working part, in particular the disclosure of page 21, line 17 to page 24, line 22, are hereby included in the disclosure content of this application.
Es soll daher lediglich kurz auf die prinzipielle Funktionsweise eingegangen werden. Der Lineargenerator 44 weist einen Läufer 46 auf, der an dem Kolben 12 angeordnet ist. Entlang der Hubrichtung 18 sind an dem Läufer mehrere Magnete 48 angeordnet, die mit einem Stator 50 zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirken. Der Stator 50 weist eine Vielzahl von Wicklungen 52 auf, in denen mittels der Magnete 48 ein Strom induziert wird. Die Wicklungen 52 werden mit Hilfe von Kühlkanälen 54 gekühlt.It is therefore only briefly to discuss the basic functionality. The linear generator 44 has a rotor 46, which is arranged on the piston 12. Along the stroke direction 18 a plurality of magnets 48 are arranged on the rotor, which cooperate with a stator 50 for generating electrical energy. The stator 50 has a plurality of windings 52 in which a current is induced by means of the magnets 48. The windings 52 are cooled by means of cooling channels 54.
Zusätzlich zu dem genannten, ersten Kolben 12, der mit einem ersten Abschnitt einer Innenwand 56 der Kolbenaufnahme 14 den Expansionsraum 40 begrenzt, ist ein zweiter Kolben 58 in der Kolbenaufnahme 14 angeordnet, der mit einem zweiten Abschnitt der Innenwand 60 der Kolbenaufnahme 14 einen Fluidpufferraum 62 begrenzt und der im Wesentlichen starr mit dem ersten Kolben 12 über den Läufer 46 verbunden ist. Im Fluidpufferraum 62 befindet sich eine solche Menge eines Fluids 64, insbesondere Luft, dass sich im ersten Betriebszustand der gezeigte untere Totpunkt des Kolbens 12 einstellt. Die Einstellung der Menge des Fluids 64 erfolgt über ein Steuerventil 66, mit dem Fluid 64 aus dem Fluidpufferraum 62 abgelassen oder dem Fluidpufferraum 62 zugeführt werden kann.In addition to the aforementioned first piston 12, which delimits the expansion space 40 with a first section of an inner wall 56 of the piston receptacle 14, a second piston 58 is arranged in the piston receptacle 14, which with a second section of the inner wall 60 of the piston receptacle 14 forms a fluid buffer space 62 limited and is substantially rigidly connected to the first piston 12 via the rotor 46. In the fluid buffer space 62 there is such an amount of a fluid 64, in particular air, that the bottom dead center of the piston 12 shown is set in the first operating state. The adjustment of the amount of the fluid 64 via a control valve 66, with the fluid 64 can be discharged from the fluid buffer chamber 62 or the fluid buffer space 62 can be supplied.
Nachdem das Brennstoffgemisch im Expansionsraum 40 zündet, wird die Kolbenanordnung 68, also der erste Kolben 12, der Läufer 46 und der zweite Kolben 58, nach rechts (bezogen auf die Figur) bewegt. Dadurch vergrößert sich der Expansionsraum 40 einerseits und verkleinert sich der Fluidpufferraum 62 andererseits. Indem die Magnete 48 am Stator 50 vorbeigeführt werden, wird ein Teil der kinetischen Energie der Kolbenanordnung 68 in elektrische Energie umgesetzt. Der verbleibende Teil der kinetischen Energie führt dazu, dass sich die Bewegung der Kolbenanordnung 68 fortsetzt, bis der Druck im Fluidpufferraum 62 so groß wird, dass die Bewegung der Kolbenanordnung 68 gestoppt wird.After the fuel mixture ignites in the expansion space 40, the piston assembly 68, so the first piston 12, the rotor 46 and the second piston 58, to the right (relative to the figure) moves. As a result, the expansion space 40 increases on the one hand and the fluid buffer space 62 on the other hand decreases. By passing the magnets 48 past the stator 50, a portion of the kinetic energy of the piston assembly 68 is converted to electrical energy. The remaining part of the Kinetic energy causes the movement of the piston assembly 68 continues until the pressure in the fluid buffer space 62 is so large that the movement of the piston assembly 68 is stopped.
Ab diesem Zeitpunkt entspannt sich das Fluid 64 wieder und drückt die Kolbenanordnung 68 nach links (bezogen auf die Figur). Bei dieser Bewegung, ggf. auch schon früher, öffnet das erste Ventil 26 und frisches Brennstoffgemisch strömt in den Expansionsraum 40. Nahezu zeitgleich oder mit einem kleinen zeitlichen Versatz öffnet sich das zweite Ventil 28, so dass das im Expansionsraum 40 befindliche Abgas durch die zweite Öffnung 24 hinausgedrückt wird. Die Kolbenanordnung 68, insbesondere der Kolben 12, erreicht wieder eine Position, an der eine weitere Zündung erfolgen kann. Der beschriebene Zyklus wiederholt sich dann erneut.From this point, the fluid 64 relaxes again and pushes the piston assembly 68 to the left (with respect to the figure). During this movement, possibly even earlier, opens the first valve 26 and fresh fuel mixture flows into the expansion space 40. Almost at the same time or with a small time offset opens the second valve 28, so that the exhaust gas located in the expansion chamber 40 by the second Opening 24 is pushed out. The piston assembly 68, in particular the piston 12, again reaches a position at which a further ignition can take place. The cycle described is then repeated again.
In Fig. 2 ist der Freikolbenmotor 10 in einem zweiten Betriebszustand dargestellt, hier dem Volllastbetrieb, wobei der Kolben 12 hier an dem unteren Totpunkt gezeigt ist, den er bei maximalem Hub einnimmt. Damit die Kolbenanordnung 68 diese Position einnehmen kann, wurde die Menge des Fluids 64 im Fluidpufferraum 62 reduziert, indem ein Teil des Fluids 64 durch das Steuerventil 66 abgelassen wurde.In Fig. 2, the free-piston engine 10 is shown in a second operating state, here the full load operation, the piston 12 is shown here at the bottom dead center, which it occupies at maximum stroke. In order for the piston assembly 68 to assume this position, the amount of fluid 64 in the fluid buffer space 62 has been reduced by venting a portion of the fluid 64 through the control valve 66.
Der Hub der Kolbenanordnung 68, und insbesondere des Kolbens 12, ist nun so groß, dass am gezeigten unteren Totpunkt die dritte Öffnung 36 und die vierte Öffnung 38 freigegeben sind.The stroke of the piston assembly 68, and in particular of the piston 12, is now so great that at the bottom dead center shown, the third opening 36 and the fourth opening 38 are released.
Dadurch, dass die dritte und vierte Öffnung 36, 38 nun geöffnet sind, kann das Abgas durch den Druck des zugeführten Brennstoffgemischs, ggf. unterstützt durch die Bewegung des Kolbens 12, durch die zweite, dritte und vierte Öffnung 24, 36, 38 austreten. Das Spülen des Expansionsraums 40 wird einerseits dadurch verbessert, dass das Abgas einen geringeren Staudruck überwinden muss. Andererseits wird die Spülung verbessert, da nun eine Umkehrspülung, siehe Spülweg 30, mit einer Längsspülung, siehe Spülwege 30', kombiniert wird. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es außerdem möglich, im zweiten Betriebszustand die zweite Öffnung 24 geschlos- sen zu halten, so dass sich statt der Umkehrspülung 30 im ersten Betriebszustand nun ausschließlich eine Längsspülung 30' einstellt.Characterized in that the third and fourth openings 36, 38 are now open, the exhaust gas by the pressure of the fuel mixture supplied, possibly supported by the movement of the piston 12, through the second, third and fourth openings 24, 36, 38 exit. The purging of the expansion space 40 is on the one hand improved by the fact that the exhaust gas has to overcome a lower back pressure. On the other hand, the flushing is improved because now a reversal flushing, see flushing path 30, with a longitudinal flush, see Spülwege 30 ', combined. In an advantageous embodiment, it is also possible in the second operating state, the second opening 24 closed To keep sen, so that instead of the reverse purge 30 in the first operating state now only a longitudinal purge 30 'sets.
Die nachfolgenden Figuren zeigen weitere Ausgestaltungen eines Freikolbenmotors 10. Der Übersichtlichkeit halber werden aber nur einige der bekannten Bezugszeichen noch dargestellt, wenngleich die Bezugszeichen und deren Bedeutungen auch bei den nachfolgenden Figuren weiter gültig sind und dieselbe Zuordnung haben. Abgesehen von der konkreten Funktion der jeweiligen Öffnungen 22, 24, 36, 38 sind auch alle Erläuterungen bezüglich der Fig. 1 und 2 auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele anzuwenden.The following figures show further embodiments of a free-piston engine 10. For clarity, only some of the known reference numerals are still shown, although the reference numerals and their meanings are also valid in the following figures and have the same assignment. Apart from the specific function of the respective openings 22, 24, 36, 38, all explanations with regard to FIGS. 1 and 2 are also applicable to the following exemplary embodiments.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die erste und dritte Öffnung 22, 36 der Zufuhr von Brennstoffgemisch und die zweite und vierte Öffnung der Abfuhr von Abgas dienen. Wie man anhand der Figur erkennt, werden bei dieser Ausgestaltung eine Umkehrspülung, siehe Spülweg 30, eine Längsspülung, siehe Spülwege 30' und eine Querspülung, siehe Spülweg 30" kombiniert. Ferner sind der obere Totpunkt 70 und der untere Totpunkt 72 bei einem maximalen Hub 74 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die dritte Öffnung 36, genauer gesagt die Mittelachse 75 der Öffnung 36 in etwa in einer Entfernung von 10 % des maximalen Hubs 74 vom unteren Totpunkt 72 bei maximalem Hub 74 entfernt angeordnet ist. Außerdem ist zur weiterer Orientierung die Kompressionsrichtung 76 dargestellt.Fig. 3 shows a second embodiment in which the first and third openings 22, 36 serve the supply of fuel mixture and the second and fourth openings of the discharge of exhaust gas. As can be seen from the figure, this embodiment combines a reverse purge, see purge 30, a purge, see purge 30 'and purge, see purge 30' Further, top dead 70 and bottom dead 72 are at maximum lift It can be seen that the third opening 36, more specifically the central axis 75 of the opening 36, is located approximately at a distance of 10% of the maximum stroke 74 from the bottom dead center 72 at maximum stroke 74 Further orientation the compression direction 76 shown.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die erste, dritte und vierte Öffnung 22, 36, 38 der Zufuhr von Brennstoffgemisch und die zweite Öffnung 24 der Abfuhr von Abgas dienen. Die Längsspülungen, siehe Spülwege 30", verlaufen hier in etwa in Kompressionsrichtung 76, d.h. die Bewegung der Kolbenanordnung 68, und insbesondere des Kolbens 12, und die Spülwege 30' verlaufen beim Spülvorgang in etwa in dieselbe Richtung, nämlich die Kompressionsrichtung 76.Fig. 4 shows a third embodiment in which the first, third and fourth openings 22, 36, 38 are used for the supply of fuel mixture and the second opening 24 of the discharge of exhaust gas. The longitudinal rinses, see rinsing paths 30 ", run here approximately in the compression direction 76, i.e. the movement of the piston arrangement 68, and in particular of the piston 12, and the rinsing paths 30 'run approximately in the same direction during the rinsing process, namely the compression direction 76.
Fig. 5 zeigt ein viertes Ausfuhrungsbeispiel, bei dem die erste und zweite Öffnung 22, 24 der Zufuhr von Brennstoffgemisch und die dritte und vierte Öffnung 36, 38 der Abfuhr von Abgas dienen. Die Besonderheit dieses Ausfühmngsbeispiels liegt darin, dass die Funktion der zweiten Öffnung 24 für den zweiten Betriebszustand umgeschaltet wird, d.h. während die zweite Öffnung 24 im ersten Betriebszustand noch der Abfuhr von Abgas diente, wird sie nun für eine Zufuhr von Brennstoffgemisch verwendet. Es stellen sich zwei Längsspülungen 30' ein, die gegen die Kompressionsrichtung 76 des Kolbens 10 gerichtet sind.5 shows a fourth exemplary embodiment, in which the first and second openings 22, 24 for the supply of fuel mixture and the third and fourth openings 36, 38 of FIG Discharge of exhaust serve. The peculiarity of this Ausfühmngsbeispiels is that the function of the second opening 24 is switched for the second operating state, that is, while the second opening 24 was still used in the first operating state, the removal of exhaust gas, it is now used for a supply of fuel mixture. There are two longitudinal rinses 30 ', which are directed against the compression direction 76 of the piston 10.
Fig. 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei dem die erste und die zweite Öffnung 22, 24 der Abfuhr von Abgas und die dritte und vierte Öffnung 36, 38 der Zufuhr von Brennstoffgemisch dienen. Es stellt sich hier eine Längsspülung, siehe Spülwege 30', ein, die zur Kompressionsrichtung 76 in etwa gleichgerichtet ist.Fig. 6 shows a fifth embodiment in which the first and the second opening 22, 24 of the discharge of exhaust gas and the third and fourth openings 36, 38 serve the supply of fuel mixture. It turns here a rinsing, see Spülwege 30 ', which is approximately rectified to the compression direction 76.
Fig. 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem gezeigt ist, dass die dritte und vierte Öffnung 36, 38 auch weiter vom unteren Totpunkt 72 bei maximalem Hub 74 entfernt angeordnet sein können. In der Figur sind außerdem ein drittes Ventil 78 und ein viertes Ventil 80 gezeigt, die dafür ausgebildet sind, jeweils entsprechend die dritte und die vierte Öffnung 36, 38 über der Zeit freizugeben und zu verschließen. Dies ermöglicht zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten beim Gaswechsel. Die Ventile 78, 80 lassen sich in vielfältiger Weise anordnen. Hier ist eine Anordnung symbolisiert, bei der die Ventile nach außen öffnen.FIG. 7 shows a sixth exemplary embodiment, in which it is shown that the third and fourth openings 36, 38 can also be arranged further from bottom dead center 72 at maximum stroke 74. Also shown in the figure are a third valve 78 and a fourth valve 80 which are adapted to respectively release and close the third and fourth openings 36, 38 over time. This allows additional control options when changing gas. The valves 78, 80 can be arranged in many ways. Here is symbolized an arrangement in which the valves open to the outside.
Außerdem ist die dritte Öffnung 36, die der Zufuhr von Brennstoffgemisch dient, näher am unteren Totpunkt 72 angeordnet ist, als die vierte Öffnung 38, die der Abfuhr von Abgas dient. Auf diese Weise kann man erreichen, dass die dritte Öffnung 36 für die Zufuhr von Brennstoffgemisch bereits ganz oder teilweise vom Kolben 12 verschlossen wird, während die vierte Öffnung 38 für die Abfuhr von Abgas noch geöffnet ist.In addition, the third port 36, which serves to supply fuel mixture, is located closer to the bottom dead center 72 than the fourth port 38, which serves for the removal of exhaust gas. In this way it can be achieved that the third opening 36 for the supply of fuel mixture is already completely or partially closed by the piston 12, while the fourth opening 38 for the discharge of exhaust gas is still open.
Fig. 8 zeigt eine siebte Ausführungsform, bei der die erste Öffnung für die Zufuhr von Brennstoffgemisch, hier nur der Brennstoff, als Einspritzdüse 82 ausgebildet ist. Bezüglich der Anordnung der Ventile 78, 80 ist hier ist eine Anordnung symbolisiert, bei der die Ventile nach innen in die Kolbenaufnahme 14 öffnen. Die Zufuhr von Frischluft ist hier nicht dargestellt, kann aber bevorzugt durch eine Frischluftzufuhrleitung, insbesondere mit Ventilsteuerung, erfolgen.8 shows a seventh embodiment in which the first opening for the supply of fuel mixture, here only the fuel, is designed as an injection nozzle 82. With regard to the arrangement of the valves 78, 80, an arrangement is symbolized here, in which the valves open inwardly into the piston receptacle 14. The supply of fresh air is not shown here, but can preferably be done by a fresh air supply line, in particular with valve control.
Insgesamt zeigt die vorliegende Erfindung damit einen verbesserten Freikolbenmotor auf, der einerseits die Vorteile eines variablen Hubs für sich nutzen kann und andererseits sicherstellt, dass auch beim Hochlastbetrieb, insbesondere beim Volllastbetrieb, eine gute Betriebscharakteristik im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Abgaswerte gewährleistet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die hier gezeigten Ausführungsformen nochmals untereinander rekombinieren lassen und dass es insbesondere möglich ist, die Funktionen der einzelnen Öffnungen im Verlauf der Zeit, insbesondere während des Betriebs des Freikolbenmotors, zu verändern. Wenn der Kolben bei Volllast die mindestens eine Öffnung freigibt, die insbesondere als Schlitz ausgebildet ist, können neue Spülwege ausgebildet werden, die den Gaswechsel optimieren. Insbesondere der normalerweise schlecht gespülte untere Bereich, also in der Nähe der Stirnseite des Kolbens, wird nun besser gespült.Overall, the present invention thus shows an improved free-piston engine, which on the one hand can make use of the advantages of a variable stroke and on the other hand ensures that a good operating characteristic with regard to the efficiency and the exhaust gas values is ensured even during high-load operation, in particular during full-load operation. It should be pointed out that the embodiments shown here can be recombined with one another and that it is possible in particular to change the functions of the individual openings over time, in particular during the operation of the free-piston engine. When the piston at full load releases the at least one opening, which is designed in particular as a slot, new flushing paths can be formed, which optimize the gas exchange. In particular, the normally poorly rinsed lower area, ie in the vicinity of the end face of the piston, is now better rinsed.
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 Ausführungsbeispiele beschränkt.Although the invention has been illustrated and described in detail with reference to the drawings and the foregoing description, this description and description is merely illustrative in nature and not intended to be limiting; the invention is not limited to the disclosed embodiments.
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. Other variants of the disclosed embodiments may be understood by those skilled in the art and practiced within the scope of the invention with the aid of an understanding of the drawings, the disclosure, and the appended claims. In the claims, the words "having" or "having" are not to be understood as excluding other elements or steps. In addition, the indefinite articles exclude "a", "an" or "an" not a plurality of the corresponding element. The terms "left,""right,""top,""bottom," etc. are used merely for a better understanding of the invention and do not limit the scope of the invention. The sole fact that certain features are mentioned in different dependent claims does not mean that a combination of these features could not be advantageous. No reference should be understood to mean a limitation of the scope.

Claims

Patentansprüche claims
1. Freikolbenmotor (10) mit variablem Hub, aufweisend einen Kolben (12) und eine Kolbenaufnahme (14) mit einer Seitenwand (16), entlang derer sich der Kolben (12) linear verlagern kann, und mit einer ersten Öffnung (22) und einer zweiten Öffnung (24), die dafür ausgebildet sind, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch (34) und eine Abfuhr von Abgas (32) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Seitenwand (16) mindestens eine weitere, dritte Öffnung (36) dafür ausgebildet ist, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch (34) oder eine Abfuhr von Abgas (32) zu ermöglichen.A free-piston engine (10) with variable stroke, comprising a piston (12) and a piston receptacle (14) with a side wall (16) along which the piston (12) can linearly displace, and with a first opening (22) and a second opening (24), which are adapted to allow a supply of fuel mixture (34) and a discharge of exhaust gas (32), characterized in that on the side wall (16) at least one further, third opening (36) therefor is designed to allow a supply of fuel mixture (34) or a discharge of exhaust gas (32).
2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Öffnung (36) in einem Abschnitt der Seitenwand (16) angeordnet ist, den eine Stirnseite (42) des Kolbens (12) bei einer Bewegung mit maximalem Hub (74) überstreicht.2. Free-piston engine according to claim 1, characterized in that the third opening (36) in a portion of the side wall (16) is arranged, which sweeps over an end face (42) of the piston (12) in a movement with a maximum stroke (74).
3. Freikolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Öffnung (36) in einem Abschnitt der Seiten wand (16) derart angeordnet ist, dass die dritte Öffnung (36) bei einem ersten Betriebszustand des Freikolbenmotors (10) am unteren Totpunkt (72) einer Bewegung des Kolbens (12) verdeckt ist und bei einem zweiten Betriebszustand des Freikolbenmotors (10) am unteren Totpunkt (72) einer Bewegung des Kolbens (12) freigegeben ist.3. free-piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the third opening (36) in a portion of the side wall (16) is arranged such that the third opening (36) in a first operating state of the free-piston engine (10) at the bottom Dead center (72) of a movement of the piston (12) is covered and in a second operating state of the free-piston engine (10) at the bottom dead center (72) of a movement of the piston (12) is released.
4. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Öffnung (36) höchstens 50 %, bevorzugt höchstens 30 % und insbesondere höchstens 15 % des maximalen Hubs (74) vom unteren Totpunkt (72) bei maximalem Hub (74) entfernt angeordnet ist. 4. free-piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the third opening (36) at most 50%, preferably at most 30% and in particular at most 15% of the maximum stroke (74) from bottom dead center (72) at maximum stroke (74) is arranged remotely.
5. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (22) ein erstes Ventil (26) aufweist, das dafür ausgebildet ist, die erste Öffnung (22) über der Zeit freizugeben und zu verschließen.A free-piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the first opening (22) comprises a first valve (26) adapted to release and close the first opening (22) over time.
6. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (22) an einer Stirnwand (20) der Kolbenaufnahme (14) angeordnet ist.6. free-piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the first opening (22) on an end wall (20) of the piston receptacle (14) is arranged.
7. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Seitenwand (16) eine vierte Öffnung (38) dafür ausgebildet ist, eine Zufuhr von Brennstoffgemisch (34) oder eine Abfuhr von Abgas (32) zu ermöglichen.7. free-piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that on the side wall (16) a fourth opening (38) is adapted to allow a supply of fuel mixture (34) or a discharge of exhaust gas (32).
8. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Öffnung (36) und/oder die vierte Öffnung (38) als Schlitz ausgeführt ist/sind.8. free-piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that the third opening (36) and / or the fourth opening (38) is designed as a slot / are.
9. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (22) für die Zufuhr von Brennstoffgemisch (34) und die anderen Öffnungen (24, 36, 38) für die Abfuhr von Abgas (32) ausgebildet sind.9. free piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that the first opening (22) for the supply of fuel mixture (34) and the other openings (24, 36, 38) for the discharge of exhaust gas (32) are formed.
10. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem genannten, ersten Kolben (12), der mit einem ersten Abschnitt einer Innenwand (56) der Kolbenaufnahme einen Expansionsraum (40) begrenzt, ein zweiter Kolben (58) in der Kolbenaufnahme (14) angeordnet ist, der mit einem zweiten Abschnitt der Innenwand (60) der Kolbenaufnahme (14) einen Fluidpufferraum (62) begrenzt und im Wesentlichen starr mit dem ersten Kolben (12) verbunden ist. 10. free-piston engine according to any one of the preceding claims, characterized in that in addition to said first piston (12) defining an expansion space (40) with a first portion of an inner wall (56) of the piston receiving a second piston (58) in the piston receptacle (14) is arranged, which with a second portion of the inner wall (60) of the piston receptacle (14) defines a fluid buffer space (62) and is substantially rigidly connected to the first piston (12).
11. Freikolbenmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Fluid- pufferraum (62) ein steuerbares Ventil (66) angeordnet ist, das dafür ausgebildet ist, eine Menge eines Fluids (64) im Fluidpufferraum (62) einzustellen.11. Free piston engine according to claim 10, characterized in that the fluid buffer space (62) is arranged a controllable valve (66) which is adapted to adjust a quantity of a fluid (64) in the fluid buffer space (62).
12. Freikolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben (12) ein Läufer (46) angeordnet ist, an dem entlang der Hubrichtung Magnete (48) angeordnet sind, die mit einem Stator (50) zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirken.12. Free-piston engine according to one of the preceding claims, characterized in that on the piston (12) a rotor (46) is arranged, along which magnets (48) are arranged along the stroke direction, with a stator (50) for generating electrical Energy interact.
13. Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenmotors (10) mit den folgenden Schritten:13. A method of operating a free-piston engine (10) comprising the steps of:
Verlagern eines Kolbens (12) in einer Kolbenaufnahme (14) bei variablem Hub, und in einem ersten Betriebszustand, Zuführen von Brennstoffgemisch (34) und Abführen von Abgas (32) mittels einer ersten Öffnung (22) und einer zweiten Öffnung (24), gekennzeichnet durch den Schritt, in einem zweiten Betriebszustand, Zuführen von Brennstoffgemisch (34) oder Abführen von Abgas (32) mittels einer dritten Öffnung (36).Displacing a piston (12) in a piston receptacle (14) with a variable stroke, and in a first operating state, supplying fuel mixture (34) and exhaust gas (32) by means of a first opening (22) and a second opening (24), characterized by the step of, in a second operating state, supplying fuel mixture (34) or exhaust gas (32) via a third port (36).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebszustand das Abführen von Abgas (32) durch eine Öffnung (24) erfolgt und im zweiten Betriebszustand das Zuführen von Brennstoffgemisch (34) durch dieselbe Öffnung (24) erfolgt.14. The method according to claim 13, characterized in that in the first operating state, the discharge of exhaust gas (32) through an opening (24) and in the second operating state, the supply of fuel mixture (34) through the same opening (24).
15. Verwendung von Öffnungen (22, 24, 36, 38) in einer Kolbenaufnahme (14) eines Freikolbenmotors (10), wobei in einem ersten Betriebszustand eine erste Öffnung (22) und eine zweite Öffnung (24) für ein Zuführen von Brennstoffgemisch (34) und ein Abführen von Abgas (32) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand eine dritte Öffnung (36) für das Zuführen von Brennstoff gemisch (34) oder das Abführen von Abgas (32) verwendet wird. 15. Use of openings (22, 24, 36, 38) in a piston receptacle (14) of a free-piston engine (10), wherein in a first operating state, a first opening (22) and a second opening (24) for supplying fuel mixture ( 34) and a discharge of exhaust gas (32) are used, characterized in that in a second operating state, a third opening (36) for supplying fuel mixture (34) or the discharge of exhaust gas (32) is used.
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