WO2012004184A1 - Freikolbenvorrichtung und verfahren zum gaswechsel in einem freikolbenmotor - Google Patents

Freikolbenvorrichtung und verfahren zum gaswechsel in einem freikolbenmotor Download PDF

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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F01L2001/34423—Details relating to the hydraulic feeding circuit
    • F01L2001/34446—Fluid accumulators for the feeding circuit

Definitions

  • the invention relates to a free-piston device, comprising at least one free-piston engine with at least one piston receptacle, in which an expansion space for the expansion of a drive medium is formed, and a piston device with a piston which limits the expansion space.
  • the invention relates to a method for changing gas in a free-piston engine, which comprises a piston receptacle, an expansion space arranged in the piston receptacle, and a piston device which can move linearly in the piston receptacle with a piston which delimits the expansion space.
  • Free-piston devices are known, for example, from WO 03/091556 A1 and EP 1 398 863 A1.
  • a method for operating a free-piston device in which the restoring force is controlled and / or regulated during operation of the free-piston device by the desired value of at least one state variable of a gas in the resilience space is specified, the actual value is detected and at Deviation from the target value is at least approximately matched to the same.
  • the invention has for its object to provide a free-piston device of the type mentioned, in which a gas exchange can be performed in an optimized manner.
  • a longitudinal rinse of the expansion space can be obtained, wherein a pure longitudinal rinse can be provided or a longitudinal rinse to support a reverse rinse.
  • Air is supplied through the piston controlled via a valve means.
  • the control is in particular a time control or a control function of the position of the corresponding piston.
  • Losses in the flushing of the expansion space can be minimized by the inventive solution and the degree of capture increases. This allows a better or more controlled flushing of the expansion space can be achieved. This in turn can increase the efficiency of the overall system and emissions can be reduced.
  • the piston can be cooled by the air flow through it. As a result, a more stable combustion can be achieved, for example. It is possible to couple air from a resilience space through the piston into the expansion space. This makes it possible to obtain a coupled air supply for the resilience space and the expansion space, and thereby the number of components can be reduced.
  • blowby gas again.
  • pressure conditions arise that cause a blowby mass flow in both directions. If blowby gas enters an air supply tract, it can then be reintroduced into the expansion space in the following work steps.
  • the sealing effort for the piston-receiving combination can be minimized by eliminating the need to minimize Blowby at any cost.
  • the expansion space is associated with an outlet valve device which is arranged on an end wall of the piston receptacle opposite the piston.
  • a longitudinal flush of the expansion space can be easily achieved with a main flow direction for the introduction of air into the expansion space and with a main flow direction for the extraction of expansion gases (in particular combustion gases) from the expansion space, each at least approximately parallel to a linear direction of movement of the piston device is.
  • the delivery device is in fluid communication with an air source.
  • a direct air source can be arranged inside the piston receptacle and in particular be a resilience space (which is then in particular connected to an air reservoir).
  • the supply device it is also possible for the supply device to be in fluid-effective connection with an external air source and in particular a pressure accumulator for air.
  • the delivery device is in fluid communication with a resilience space in which a return spring means is arranged for the provision of a restoring force for the piston device. It can then pass air through the resilience space and couple into the expansion space.
  • the resilience space can itself be a direct source of air.
  • the resilience space is a gas spring space with air as the gas spring medium. This gas spring medium can then be used to flush the expansion space.
  • the springback space itself is assigned a feed device for air. It can thereby compensate for air losses of the resilience space due to decoupling of air and introduction into the expansion space.
  • the feed device is in frictionally effective connection with an air source arranged outside the piston receptacle. Air can also be introduced through the piston into the expansion space, bypassing a resilience space.
  • a connecting device is arranged on the piston, on which one or more channels of the feed device are arranged.
  • the connecting device in particular comprises a piston rod, on which at least one channel is arranged.
  • air can be fed through the piston rod to the piston for coupling into the expansion space.
  • At least one channel is arranged in the piston, which in fluid-effective connection with the expansion stands. Through the channel air can then be coupled to flush the expansion space in the expansion space.
  • the coupling in turn can be easily by opening or
  • the at least one channel in the piston is in fluid-effective connection with at least one channel, which is arranged in a connecting device. As a result, air can be supplied to the at least one channel in the piston through the connecting device.
  • the at least one channel in the piston can be in fluid-effective connection with a resilience space. It can thereby remove air from the resilience space and couple through the at least one channel through in the expansion space.
  • the valve device has at least one blocking element, by means of which the air feedthrough through the at least one channel in the piston and / or controlled by a channel in a connection device is clearly visible and closable.
  • the position of the at least one blocking element determines whether or not air is coupled into the expansion space through the piston.
  • the valve device can be controlled mechanically and / or electrically.
  • the piston position directly determines whether a valve of the valve device is open or closed.
  • an electrical control via a Control / regulating device is possible in order to achieve an optimized operation of the free-piston device.
  • the valve device comprises a rotary valve. Depending on the rotational position of the rotary valve, an air supply is open or closed.
  • the rotary valve is coupled with respect to a rotational position to the position of the piston. As a result, a mechanical control of the position of the rotary valve can be obtained in a simple manner.
  • the valve device comprises at least one poppet valve.
  • a poppet valve for example, a pressure difference control can be easily achieved.
  • the opening and blocking of the at least one poppet valve is pressure-difference-controlled.
  • the control effort or regulatory effort can be minimized.
  • an electric linear drive which comprises a rotor device and a stator device, wherein the rotor device is arranged on the piston device.
  • the electric linear drive allows electrical energy to be decoupled. For example, it is also possible to set the piston stroke via the electric linear drive.
  • the piston means comprises a first piston defining the expansion space and includes a second piston defining a resilience space with a gap between the first piston and the second piston. It is possible, for example, that the gap is used as a buffer for air.
  • the piston defines the expansion space with a first side and a resilience space with an opposite second side. It is possible in this embodiment in a simple manner to introduce directly air from a resilience space in the expansion space through the piston.
  • the invention is further based on the object of providing a method for gas exchange of the type mentioned above, by means of which optimized mud results can be obtained.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the device according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out on the free-piston device according to the invention.
  • a gas longitudinal purge is performed in which a main flow direction of air into the expansion space and gases from the expansion space is at least approximately parallel to a direction of movement of the piston means. This results in optimized flushing results.
  • air is introduced from a resilience space through the piston into the expansion space. In doing so, the air Supply for the flushing of the expansion space directly from the resilience space.
  • air is coupled from an air source through the piston into the expansion space, wherein this air source is in particular outside the piston seat.
  • valve device is arranged on the piston, by means of which the air feed into the expansion space is controlled as a function of the position of the piston.
  • the valve device ensures the correct air supply or blocking of the air supply in the expansion space depending on the position of the piston.
  • the air supply through the piston is timed in the expansion space.
  • This can be done by a corresponding valve device which is mechanically driven, for example, via a pressure difference between the expansion space and a resilience space or mechanically coupled to the piston.
  • Control / regulation device is possible.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an embodiment of a piston
  • Figure 3 is a schematic representation of another embodiment of a free piston device
  • Figure 4 is a detail view of a bearing of a rotary valve
  • Figure 5 is a schematic view of an associated rotary valve
  • Figure 6 is a schematic view of another embodiment of a free-piston device.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a free-piston device, which is shown in FIG. 1 and designated therein by 10, comprises a free-piston engine 12 with electric linear drive 14. It is basically the case that the free piston device 10 can have a plurality of free-piston engines with respective electric linear drive.
  • the free-piston engine 12 has a piston receptacle 16, which is cylindrical, for example, with a circular cross-section.
  • the piston receptacle 16 is bounded by piston walls 18.
  • a piston device 20 is movable in a linear direction 22. This linear direction is preferably parallel to an axis 24 of the piston receptacle 16.
  • the piston device 20 comprises a first piston 26, a second piston 28 and a connecting device 30, which connects the first piston 26 and the second piston 28 with each other.
  • the first piston 26 has a first piston surface 32, which faces a first end wall 34 of the piston receptacle 16. Between the first piston surface 32 and the first end wall 34, an expansion space 36 is formed in the piston seat 16. An expanding medium can exert a force on the first piston 26 in the expansion space 36 and thereby drive the piston device 20 in the linear direction 22 in a movement.
  • the expansion space 36 has a variable volume which is dependent on the position of the first piston 26 in relation to the first end wall 34.
  • the expansion space 36 is a combustion space in which fuel with oxidant may burn. The combustion gases then drive the piston device 20.
  • Heat transfer medium expands while the piston device 20 drives.
  • the second piston 28 has a second piston surface 38, which faces a second end wall 40 of the piston receptacle 16.
  • the first end wall 34 and the second end wall 40 limit the piston receptacle 16 at the front.
  • the first piston surface 32 and the second piston surface 38 are facing away from each other.
  • a resilience space 42 is formed between the second piston surface 38 and the second end wall 40.
  • a return spring 44 is received. This ensures that the piston device 20 is moved back by action on the second piston 28 in the direction of the first end wall 34.
  • the return spring device 44 is a compressible medium and in particular a gas.
  • the return spring device 44 is then designed as a gas spring.
  • the return spring means 44 may in principle also comprise one or more mechanical springs.
  • the piston device 20 Due to the expanding medium, which acts forcefully on the first piston 26, the piston device 20 is moved in the direction of the second end wall 40. In the resilience space 42, which has a variable volume, the return spring 44 is compressed. It then exercises a restoring force on the piston device 20, which then moves in the opposite direction to the first end wall 34.
  • the first piston 26 and the second piston 28 are sealed at the edge relative to the piston receptacle 16. Such a seal is indicated in connection with the second piston 28 by the reference numeral 46.
  • the expansion space 36 and the resilience space 42 are fluid-tightly separated from each other.
  • a clearance between the first piston 26 and the second piston 28 is fluid-tightly separated from the expansion space 36 and the resilience space 42.
  • the first piston 26 and the second piston 28 are spaced from each other with intermediate connection means 30. This is advantageously designed so that with guaranteed structural rigidity, the mass of the moving piston means 20 is minimized.
  • the electric linear drive 14 comprises a rotor device 48 and a stator device 50.
  • the rotor device 48 is arranged between the first piston 26 and the second piston 28 on the connection device 30. It comprises a plurality of, for example, annular permanent magnets 52a, 52b, etc., which are arranged with alternating polarity. With the linear movement of the piston device 20, the rotor device 48 moves linearly within the piston seat 16 outside of the expansion space 36 and outside the resilience space 42nd
  • the stator device 50 is arranged stationarily outside the piston receptacle. It comprises a plurality of windings 54 which surround the piston seat 16 in the region in which the rotor device 48 is movable.
  • the movement of the rotor device 48 induces a voltage on the stator device 50 which can be tapped off. There is a (Partial) conversion of mechanical energy into electrical energy. The electrical energy can be decoupled and used.
  • the piston stroke can be set variably via the electric linear drive 14, so that the dead points of the movement of the piston device 20 can be defined.
  • a control / regulation device 56 is provided, by means of which actuators of the free-piston device 10 can be activated and sensor signals of the free-piston device 10 can be evaluated. Furthermore, the control / regulation device 56 prescribes a control strategy and control strategy which is realized in terms of hardware and / or software.
  • At least one inlet valve 58 for fuel and / or a fuel-oxidizer mixture is arranged on the first end wall 34. Further, (at least) an outlet valve 60 is arranged on the first end wall 34, via which can be dissipated medium and in particular combustion exhaust gases from the expansion space 34.
  • an injector 61 for injecting fuel may also be provided.
  • an ignition device 62 may be provided (shown in exaggerated form in FIG. 1 for illustrative reasons) in order to be able to ignite a fuel-oxidizer mixture in the expansion space 36, which is then a combustion chamber.
  • the expansion space 36 is associated with a sensor device 64, via which one or more parameters can be measured. For example, the pressure in the expansion space 36 and / or the temperature can be measured.
  • the controller 56 controls the intake valve (s) 58, the exhaust valve 60, the ignition device 62, an air supply valve device in the expansion space 36 (see below), and optionally an injector. As a result, one or more defined points in time can open and close the intake valve or valves 58 and / or the exhaust valves 60 can be opened and closed.
  • fuel can be injected at a defined time and a fuel-oxidizer mixture can be ignited.
  • Signals from the sensor device 64 are transmitted to the control / regulation device 56.
  • the control / regulating device 56 is further coupled to the electric linear drive 14 in order to be able to influence the piston movement of the piston device 20, for example optionally via the electric linear drive 14.
  • a sensor device 66 is provided, which provides corresponding sensor signals of the control / regulation device 56, via which the instantaneous position of the piston device 20 in relation to the piston receptacle 16 can be measured.
  • the return spring space 42 if this is a gas spring chamber, associated with a pressure accumulator 68.
  • the pressure accumulator 68 is connected to the resilience space 42 via a control valve 70, which is controllable by the control / regulation device 56.
  • the pressure in the resilience space 42 for example, in a bottom dead center (UT r ) of the piston device 20, in which this is closest to the first piston 26 to the first end wall 34, adjustable. It can be adjusted by the properties of the gas spring. In particular, a spring constant or spring characteristic can be set.
  • the pressure accumulator 68 can be filled with the corresponding return spring medium or it can be emptied.
  • the pressure in the pressure accumulator 68 can be adjusted outside the piston receptacle 16.
  • a controllable three-two-way valve 72 is provided. One way is a charge path for the accumulator 68 and a second way is a vent path.
  • the three-way valve 72 is coupled to the controller 56.
  • a pump 73 is connected to an input of the three-way valve 72.
  • the resilience space 42 is assigned one or more sensors 74.
  • a pressure sensor is provided.
  • a temperature sensor may also be provided. These provide their measured values to the controller 56.
  • an arrow 76 schematically indicates that the control / regulation device 56 can also monitor, control and regulate further free-piston engines.
  • a further free-piston engine may be provided in order to obtain a mass balance with a corresponding arrangement of the piston device.
  • the piston device 20 By a repetitive expansion of medium in the expansion space 36, for example by a repetitive combustion of fuel, the piston device 20 is driven in an oscillatory motion. The piston device thereby moves between a bottom dead center (UT ex ) and top dead center (TDC ex ) relative to the expansion chamber 36.
  • the bottom dead center is defined by the fact that the first piston 26 has the greatest distance to the first end wall 34.
  • the top dead center is defined by the fact that the first piston 26 has the smallest distance to the first end wall 34.
  • a piston stroke is the distance between top dead center and bottom dead center. This is denoted by S.
  • the controller 56 performs control operations and control operations.
  • the air supply to the expansion space 36 (in particular combustion chamber) takes place in the inventive solution through the first piston 26 therethrough. This is indicated schematically in FIG. 1 by the arrow 78.
  • one or more channels 80 are arranged in the first piston 26. These are in operative connection with an air supply means 82 which provides air.
  • air may be coupled into a gap 84 between the first piston 26 and the second piston 28 via the delivery means 82, the passage or channels 80 again being in operative communication with this clearance 84. Through this, air can then be introduced into the expansion space 36 via the channel or channels 80. It is, as will be explained in more detail below, provided a valve device for controlled coupling.
  • connection device 30 It is also possible for one or more channels (see below) to be arranged in the connection device 30, which are in operative connection with the channel (s) 80. Air through these channels is then provided to the channel (s) 80 for controlled coupling into the expansion space 36.
  • air from an external source or from the resilience space 42 can be coupled.
  • the connecting means 30 comprises a piston rod 86 which is connected to the piston 26.
  • a channel 88 is formed, which is also oriented substantially parallel to the linear direction 22.
  • This channel 88 merges into one or more channels 90 in the piston 26.
  • a distributor chamber 92 may be provided, which is connected to a plurality of channels 90.
  • the one or more channels 90 are in fluid communication with the expansion space 96.
  • a corresponding channel 90 has for this purpose an orifice 94, which leads into the expansion space 36.
  • the orifice 94 is in fluid communication with the channel 88 and piston rod 86. Through the channel 88, air can be coupled into the expansion space 36 via the channel 90.
  • the channel 88 is in fluid communication with the supply means 82 for air or is part of this supply means.
  • the corresponding air may be provided by an external source of air or, if the channel 88 is in fluid communication with the resilience space 42, may be supplied with air therethrough.
  • a valve device 96 On the first piston 26, a valve device 96 is arranged.
  • a corresponding valve 98 of the valve device 96 is assigned to each channel 90, so that via the corresponding valve 98 the air injection from the channel 90 into the expansion space 36 can be controlled or blocked in a controlled manner.
  • the release or blocking can thereby be controlled and in particular controlled in time or in dependence on the position of the first piston 26.
  • a valve 98 is formed by a poppet valve 100.
  • This poppet valve 100 has a first plate 102, which is positioned in front of a side of the first piston 26, which limits the expansion space 36.
  • the poppet valve 100 also has a second plate 104, which is opposite the first plate 102 and, for example, in the distributor chamber 92 is positioned.
  • the first plate 102 and the second plate 104 are connected by a connecting rod 106.
  • the poppet valve 100 is supported by a spring 108 on a wall 110 in which the corresponding channel 90 is formed.
  • the spring 108 lies between the wall 110 and the second plate 104. Without additional force, the spring 108 strives to close the valve 98, thereby pressing the first plate 102 against the first piston surface 32.
  • Compress the spring 108 cause. This causes a lifting of the first plate 102 from the first piston surface 32 and thus an opening of the poppet valve 100. Thus, air can then flow through the corresponding channel 90 into the expansion space 36.
  • the poppet valve 100 is in particular pressure-difference-controlled.
  • the pressure difference between the expansion space 36 and the distribution space 92 determines whether the poppet valve 100 is open or closed.
  • the supply of air into the expansion space 36 can thereby be selectively controlled as a function of the pressure difference.
  • the poppet valve 100 it is also possible for the poppet valve 100 to be activated, for example, by electrical signals.
  • the gas exchange outlet valve 60 in the expansion space 36 faces the mouth orifices 94. It can thereby achieve a longitudinal purge in the expansion space 36.
  • the main flow direction for air in the expansion space 36 is at least approximately parallel to the linear direction 22.
  • the main flow direction for the discharge of gases and in particular combustion gases via the exhaust valve 60 from The expansion space 36 is also at least approximately parallel to the linear direction 22nd
  • the second piston 28 must be provided according to the first piston 26 with one or more channels and with a valve means.
  • a corresponding free-piston engine comprises a piston receptacle 112, in which a piston device with a piston 114 is linearly movable.
  • This piston 114 defines with a first piston surface 116 an expansion space and in particular combustion chamber 118.
  • the piston 114 delimits a resilience space 122, which is a gas spring space with air as gas.
  • the return spring space 122 is assigned a supply device 124 for air, via which "fresh air" can be coupled into the resilience space 122.
  • the feed device 124 in particular comprises the control valve 70.
  • channels 126 are formed between the first piston surface 116 and the second piston surface 120.
  • a corresponding channel 126 is in fluid communication with the expansion space 118 with a first orifice 128.
  • the corresponding channel 126 is in fluid communication with the resilience space 122. Air is thereby allowed to flow through the second orifice 130 through the channels 126 from the resilience space 122 into the expansion space 118 einkoppeln.
  • the air supply means 124 forms part of an air supply means in the expansion space 118 through the piston 114.
  • the piston 114 has a valve device 132, by means of which it is possible to control whether air can be injected through the channels 126 into the expansion space 118 or whether this injection is blocked.
  • the valve device 132 has a rotary slide 134, which is rotatably mounted about a rotation axis 136.
  • the rotation axis 136 is at least approximately parallel to the linear direction 22.
  • the rotary valve 134 is rotatably mounted on a shaft 138.
  • the shaft 138 is rotatably mounted in a piston rod 140.
  • the piston rod 140 runs, for example, through the resilience space 122 through a corresponding sealed opening 142 in an end wall 144 of the piston receptacle 112.
  • the end wall 144 lies opposite an end wall 146, to which (at least) an inlet valve corresponding to the inlet valve 58 and (at least) one Outlet valve corresponding to the outlet valve 60 is arranged.
  • the first piston surface 116 faces the end wall 146.
  • a disk element 148 of the rotary valve 134 has continuous
  • Openings 150 which correspond to the channels 126.
  • Disc element 148 is arranged between a first piston section 152 and a second piston section 154.
  • first piston portion 152 a first part of the channels 126 are arranged and in the second piston portion 154, a respective second part of the channels 126 are arranged, wherein for a channel 126, the first part and the second part are aligned with each other.
  • a corresponding aperture 150 is flush with the first portion of a channel 126 and the second portion of a channel 126.
  • the corresponding channel 126 is open and air can flow through the resilience space 122 into the expansion space 118.
  • a blocking position of the disc element 148 covers a non-continuous part of the disc member 148 from the second part of the corresponding channel 126, so that the fluid connection is interrupted and no air from the resilience space 122 can flow into the expansion space 118.
  • the disk element 148 can be controlled, for example, via the control / regulation device 56.
  • a corresponding drive for the shaft 138 must be provided.
  • an inductive drive is possible.
  • an oblique groove 156 is formed on the shaft 138.
  • the piston rod 140 (FIG. 4) has a recess 158 through which a pin element 160 has penetrated.
  • the recess 158 is designed so that the mobility of the piston 114 is not hindered in its linear movement.
  • the pin member 160 is fixedly connected to the piston receptacle 112. A linear movement of the piston 114 relative to the piston seat 112 causes relative movement of the groove 156 to the pin member 160. Due to the oblique orientation of the groove 156, a corresponding linear movement results in a rotational movement of the shaft 138 and thus of the disc member 148. This rotational movement causes depending on the position of the piston 114 opening or closing of the channels 126th
  • a piston 162 is provided, which delimits an expansion space with a first piston surface 163 and delimits a resilience space 166 with a second piston surface 165.
  • one or more channels 168 are arranged, which extend between the first piston surface 163 and the second piston surface 165.
  • the channel or channels 168 provide a fluid-effective connection between the resilience space 166 and the expansion space 164.
  • a valve device 170 is provided which can open and close the fluid-effective connection between the resilience space 166 and the expansion space 164.
  • the valve device 170 in this case comprises poppet valves 172, wherein in each case a poppet valve 172 is associated with a channel 168. Via a poppet valve 172, as described above, a channel 168 can be opened and closed with regard to its fluid-effective connection.
  • a corresponding poppet valve 172 is in particular pressure-difference-controlled, the pressure difference, which controls the opening and closing of a poppet valve 172, being the pressure difference between the resilience space 122 and the expansion space 164.
  • an air purging of the expansion space 36 or 118 or 164 takes place through the corresponding piston 26 or 114 or 162, which delimits the corresponding expansion space 36 or 118 or 164.
  • blowby losses on the corresponding piston can be minimized.
  • the method according to the invention works as follows:
  • Air in the resilience space 40 is expanded. By opening the three-two-way valve air is coupled into the resilience space 40. This is ideally done in the vicinity of the bottom dead center of the second piston 28 with respect to the resilience space 42, since the pressure is lowest here.
  • the exhaust valve 60 is opened and gases and in particular combustion gases can flow into an exhaust tract.
  • valve device 96 After opening the outlet valve 60, the valve device 96 is also opened. It can then flow fresh air into the expansion space 36. Depending on Embodiment comes this fresh air from the resilience space 42 or from an external air source, bypassing the resilience space 42nd
  • valve device 96 After closing the exhaust valve 60, the valve device 96 is closed. The gas exchange in the expansion space 36 is then completed.
  • the first piston 26 moves due to the prevailing pressure conditions in the direction of its top dead center and thereby the gas mixture (fuel and air) is compressed in the expansion space 36.
  • the three-way valve 72 is opened around the top dead center of the first piston 26 with respect to the expansion space 36 to supply air in the resilience space 42 to compensate for the air loss due to the air supply in the expansion space 36, if in the expansion space 36 introduced air from the resilience space 42 comes. The cycle can then begin again.
  • the rotating apparatus The rotating apparatus

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Abstract

Es ist eine Freikolbenvorrichtung vorgesehen, die mindestens einen Freikolbenmotor mit mindestens einer Kolbenaufnahme, in welcher ein Expansionsraum für die Expansion eines Antriebsmediums gebildet ist, und eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, welcher den Expansionsraum begrenzt, umfasst, wobei dem Kolben eine Zuführungseinrichtung für Luft zugeordnet ist und an dem Kolben eine Ventileinrichtung angeordnet ist, welche in fluidwirksamer Verbindung mit der Zuführungseinrichtung für Luft steht, wobei Luft durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum einbringbar ist und die Lufteinbringung durch die Ventileinrichtung gesteuert ist.

Description

Freikolbenvorrichtung und Verfahren
zum Gaswechsel in einem Freikolbenmotor
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor mit mindestens einer Kolbenaufnahme, in welcher ein Expansionsraum für die Expansion eines Antriebsmediums gebildet ist, und eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, welcher den Expansionsraum begrenzt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Gaswechsel in einem Freikolbenmotor, welcher eine Kolbenaufnahme, einen in der Kolbenaufnahme angeordneten Expansionsraum, und eine in der Kolbenaufnahme linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, welcher den Expansionsraum begrenzt, umfasst.
Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der WO 03/091556 AI und der EP 1 398 863 AI bekannt.
Aus der WO 2007/147789 AI ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welchem die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zustandsgröße eines Gases im Rückfederraum vorgegeben wird, der Istwert erfasst wird und bei Abweichung vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
Steuerungs- und Regelungsverfahren für Freikolbenvorrichtungen sind in dem Artikel "Free-Piston Diesel Engine Timing and Control - Towards Electronic Cam- and Crankshaft" von T.A. Johansen et al., in IEEE Trans. Control Systems Technology, 10(188-190), 2002, und "Dynamics and Control of a Free- Piston Diesel Engine" von T.A. Johansen et al., in Proc. American Control Conference, Arlington, VA., 2001, beschrieben . Aus der DE 43 44 915 AI ist ein Linearverbrennungsmotorgenerator bekannt, bei dem zwei gegenüberliegende, nach Zweitakt-Prinzip arbeitende Kolben einen Läufer mit einem oder mehreren spulenförmigen Magnetpolpaaren zu Hin- und Her-Linearbewegungen bringen und dadurch am zylinderförmigen Ständer in den Wicklungen elektrischen Strom erzeugen.
Aus der DE 198 13 992 AI ist eine Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskopplung bekannt. Es ist ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder vorgesehen, welcher durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird . Die Energieauskopplung erfolgt auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum angeordnete Spulen.
In dem Artikel "Vergleich von Gasfedervarianten mit variabler Kennlinie für einen Freikolbenmotor" von S.-E. Pohl und C. Ferrari, Forsch. Ingenieurwesen (2007) 71 : Seiten 181 bis 188, sind Gasfedervarianten beschrieben, die aufgrund ihrer einstellbaren Federkennlinie für den Einsatz in einem Freikolbenmotor geeignet sind .
Aus der WO 2009/156257 AI ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für eine Kolbeneinrichtung vorgegeben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welcher sich ein Gaswechsel auf optimierte Weise durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Kolben eine Zuführungseinrichtung für Luft zugeordnet ist und dass an dem Kolben eine Ventileinrichtung angeordnet ist, welche in fluidwirksamer Verbindung mit der Zuführungseinrichtung für Luft steht, wobei Luft durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum einbringbar ist und die Lufteinbringung durch die Ventileinrichtung gesteuert ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine Längsspülung des Expansionsraums erhalten, wobei eine reine Längsspülung vorgesehen sein kann oder eine Längsspülung zur Unterstützung einer Umkehrspülung.
Luft wird durch den Kolben hindurch gesteuert über eine Ventileinrichtung zugeführt. Die Steuerung ist dabei insbesondere eine zeitliche Steuerung beziehungsweise eine Steuerung in Abhängigkeit von der Position des entsprechenden Kolbens.
Verluste bei der Spülung des Expansionsraums lassen sich durch die erfindungsgemäße Lösung minimieren und der Fanggrad steigt. Damit lässt sich eine bessere beziehungsweise kontrolliertere Spülung des Expansionsraums erreichen. Dadurch wiederum lässt sich der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöhen und Emissionen lassen sich reduzieren.
Die Abstimmung des Gesamtsystems wird erleichtert.
Es lassen sich auch bauraummäßig größere Strömungsquerschnitte für die Spülung zur Verfügung stellen, da die Luftzuführung nicht mehr an einer Stirnwand der Kolbenaufnahme erfolgen muss. Dadurch wiederum lassen sich Ladungswechsel optimieren und effektiver machen.
An einer Stirnwand des Expansionsraums steht mehr Platz zur Verfügung für einen Brennstoffinjektor und eine Zündeinrichtung, da die Ventileinrichtung für die Luftzuführung nicht mehr an der Stirnwand angeordnet werden muss.
Der Kolben lässt sich durch den Luftdurchsatz durch ihn hindurch kühlen. Dadurch lässt sich beispielsweise eine stabilere Verbrennung erreichen. Es ist möglich, Luft aus einem Rückfederraum durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum einzukoppeln. Dadurch ist es möglich, eine gekoppelte Luftversorgung für den Rückfederraum und den Expansionsraum zu erhalten und dadurch lässt sich die Zahl der Komponenten reduzieren.
Es ist dann weiterhin auch möglich, Blowby-Gas wieder zu verwenden. Abhängig von der Position des Kolbens entstehen Druckverhältnisse, die einen Blowby-Massenstrom in beiden Richtungen bedingen. Wenn Blowby-Gas in einen Luftversorgungstrakt eindringt, dann kann es in folgenden Arbeitsschritten wieder in den Expansionsraum eingeführt werden. Der Dichtungsaufwand für die Kolbenaufnahme-Kombination lässt sich dadurch minimieren, da Blowby nicht mehr um jeden Preis minimiert werden muss.
Günstig ist es, wenn dem Expansionsraum eine Auslassventileinrichtung zugeordnet ist, welche an einer dem Kolben gegenüberliegenden Stirnwand der Kolbenaufnahme angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Längsspülung des Expansionsraums erreichen mit einer Hauptströmungsrichtung für die Einführung von Luft in den Expansionsraum und mit einer Hauptströmungsrichtung für die Auskopplung von Expansionsgasen (insbesondere Verbrennungsgasen) aus dem Expansionsraum, welche jeweils mindestens näherungsweise parallel zu einer linearen Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung ist.
Insbesondere steht die Zuführungseinrichtung in fluidwirksamer Verbindung mit einer Luftquelle. Eine direkte Luftquelle kann dabei innerhalb der Kolbenaufnahme angeordnet sein und insbesondere ein Rückfederraum sein (welcher dann insbesondere mit einem Luftspeicher in Verbindung steht). Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Zuführungseinrichtung in fluidwirksamer Verbindung mit einer externen Luftquelle und insbesondere einem Druckspeicher für Luft steht.
Bei einer Ausführungsform steht die Zuführungseinrichtung in fluidwirksamer Verbindung mit einem Rückfederraum, in welchem eine Rückfedereinrichtung für die Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung angeordnet ist. Es lässt sich dann Luft durch den Rückfederraum hindurchführen und in den Expansionsraum einkoppeln. Der Rückfederraum kann selber eine direkte Luftquelle sein.
Bei einer Ausführungsform ist der Rückfederraum ein Gasfederraum mit Luft als Gasfedermedium. Dieses Gasfedermedium kann dann zur Spülung des Expansionsraums verwendet werden.
Es ist dann günstig, wenn dem Rückfederraum selber eine Zuführungseinrichtung für Luft zugeordnet ist. Es lassen sich dadurch Luftverluste des Rückfederraums aufgrund Auskopplung von Luft und Einführung in den Expansionsraum ausgleichen.
Bei einer alternativen oder kombinatorischen Ausführungsform steht die Zuführungseinrichtung in frluidwirksamer Verbindung mit einer außerhalb der Kolbenaufnahme angeordneten Luftquelle. Es lässt sich Luft durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum auch unter Umgehung eines Rückfederraums einkoppeln.
Bei einer Ausführungsform ist an dem Kolben eine Verbindungseinrichtung angeordnet, an welcher ein oder mehrere Kanäle der Zuführungseinrichtung angeordnet sind. Es lässt sich dadurch Luft durch die Verbindungseinrichtung hindurch dem entsprechenden Kolben zuführen und durch diesen hindurch in den Expansionsraum einkoppeln.
Die Verbindungseinrichtung umfasst insbesondere eine Kolbenstange, an welcher mindestens ein Kanal angeordnet ist. Dadurch lässt sich durch die Kolbenstange hindurch Luft dem Kolben zur Einkopplung in den Expansionsraum zuführen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Kanal in dem Kolben angeordnet ist, welcher in fluidwirksamer Verbindung mit dem Expansions- räum steht. Durch den Kanal hindurch lässt sich dann Luft zur Spülung des Expansionsraums in den Expansionsraum einkoppeln. Die Einkopplung wiederum lässt sich auf einfache Weise durch Öffnen beziehungsweise
Schließen des Kanals über die Ventileinrichtung steuern.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kanal in dem Kolben in fluidwirksamer Verbindung mit mindestens einem Kanal steht, welcher in einer Verbindungseinrichtung angeordnet ist. Dadurch lässt sich durch die Verbindungseinrichtung hindurch Luft dem mindestens einen Kanal in dem Kolben zuführen.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der mindestens eine Kanal in dem Kolben in fluidwirksamer Verbindung mit einem Rückfederraum steht. Es lässt sich dadurch Luft aus dem Rückfederraum entnehmen und durch den mindestens einen Kanal hindurch in den Expansionsraum einkoppeln.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtung mindestens ein Sperrelement aufweist, mittels welchem die Luftdurchführung durch den mindestens einen Kanal in dem Kolben und/oder durch einen Kanal in einer Verbindungseinrichtung gesteuert offenbar und schließbar ist. Die Position des mindestens einen Sperrelements bestimmt dann, ob Luft durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum eingekoppelt wird oder nicht. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine gesteuerte Luftzuführung für den Expansionsraum erreichen und insbesondere lässt sich eine gesteuerte Längsspülung (ausschließlich oder in Kombination mit einer Umkehrspülung) erreichen. Es erfolgt dabei insbesondere eine Steuerung, welche zeitabhängig ist beziehungsweise abhängig ist von der Position des Kolbens.
Die Ventileinrichtung kann dabei mechanisch und/oder elektrisch angesteuert sein. Bei einer mechanischen Steuerung bestimmt beispielsweise die Kolbenposition direkt, ob ein Ventil der Ventileinrichtung offen oder geschlossen ist. Auch eine elektrische Ansteuerung über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung ist möglich, um einen optimierten Betrieb der Freikolbenvorrichtung zu erreichen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Ventileinrichtung einen Drehschieber. Je nach Drehstellung des Drehschiebers ist eine Luftzuführung offen oder geschlossen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Drehschieber bezüglich einer Drehstellung an die Stellung des Kolbens gekoppelt ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine mechanische Steuerung der Position des Drehschiebers erhalten.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Ventileinrichtung mindestens ein Tellerventil . Durch Verwendung eines Tellerventils lässt sich beispielsweise auf einfache Weise eine Druckdifferenzsteuerung erreichen.
Insbesondere ist die Öffnung und Sperrung des mindestens einen Tellerventils druckdifferenzgesteuert. Dadurch lässt sich der Steuerungsaufwand beziehungsweise Regelungsaufwand minimieren.
Bei einer Ausführungsform ist ein elektrischer Lineartrieb vorgesehen, welcher eine Läufereinrichtung und eine Statoreinrichtung umfasst, wobei die Läufereinrichtung an der Kolbeneinrichtung angeordnet ist. Durch den elektrischen Lineartrieb lässt sich elektrische Energie auskoppeln. Über den elektrischen Lineartrieb ist es beispielsweise auch möglich, den Kolbenhub einzustellen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Kolbeneinrichtung einen ersten Kolben, welcher den Expansionsraum begrenzt, und umfasst einen zweiten Kolben, welcher einen Rückfederraum begrenzt, wobei zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben ein Zwischenraum liegt. Es ist dabei beispielsweise möglich, dass der Zwischenraum als Puffer für Luft eingesetzt wird . Bei einer alternativen Ausführungsform begrenzt der Kolben mit einer ersten Seite den Expansionsraum und mit einer gegenüberliegenden zweiten Seite einen Rückfederraum. Es ist bei dieser Ausführungsform auf einfache Weise möglich, direkt Luft aus einem Rückfederraum in den Expansionsraum durch den Kolben hindurch einzubringen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gaswechsel der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich optimierte Spülungsergebnisse erhalten lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Luft in den Expansionsraum gesteuert durch den Kolben hindurch eingekoppelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren an der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung durchführen.
Günstig ist es, wenn Gas aus dem Expansionsraum durch eine Stirnwand hindurch abgeführt wird, welche dem Kolben gegenüberliegt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Längsspülung erreichen.
Insbesondere wird eine Gaslängsspülung durchgeführt, bei dem eine Hauptströmungsrichtung von Luft in den Expansionsraum und von Gasen aus dem Expansionsraum mindestens näherungsweise parallel zu einer Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung ist. Dadurch ergeben sich optimierte Spülungsergebnisse.
Bei einer Ausführungsform wird Luft aus einem Rückfederraum durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum eingeführt. Es erfolgt dabei die Luft- Versorgung für die Spülung des Expansionsraums direkt aus dem Rückfederraum.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass Luft von einer Luftquelle durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum eingekoppelt wird, wobei diese Luftquelle insbesondere außerhalb der Kolbenaufnahme liegt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn an dem Kolben eine Ventileinrichtung angeordnet ist, durch welche die Luftzuführung in den Expansionsraum in Abhängigkeit der Position des Kolbens gesteuert wird. Die Ventileinrichtung sorgt für die in Abhängigkeit von der Position des Kolbens korrekte Luftzufuhr beziehungsweise Sperrung der Luftzuführung in den Expansionsraum.
Insbesondere ist die Luftzuführung durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum zeitlich gesteuert. Dies kann durch eine entsprechende Ventileinrichtung erfolgen, welche beispielsweise mechanisch angesteuert ist, beispielsweise über eine Druckdifferenz zwischen dem Expansionsraum und einem Rückfederraum oder mechanisch angekoppelt ist an den Kolben. Auch eine Signalbeaufschlagung der Ventileinrichtung durch eine
Steuerungs-/Regelungseinrichtung ist möglich.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung . Es zeigen :
Figur 1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Freikolbenvorrichtung;
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Kolbens;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung; Figur 4 eine Detailansicht einer Lagerung eines Drehschiebers;
Figur 5 eine schematische Ansicht eines zugehörigen Drehschiebers; und
Figur 6 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel einer Freikolbenvorrichtung, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14. Es ist grundsätzlich so, dass die Freikolbenvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Freikolbenmotoren mit jeweiligem elektrischem Lineartrieb aufweisen kann.
Der Freikolbenmotor 12 weist eine Kolbenaufnahme 16 auf, welche beispielsweise zylindrisch ausgebildet ist mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Kolbenaufnahme 16 ist durch Kolbenwände 18 begrenzt.
In der Kolbenaufnahme 16 ist eine Kolbeneinrichtung 20 in einer Linearrichtung 22 beweglich. Diese Linearrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer Achse 24 der Kolbenaufnahme 16.
Die Kolbeneinrichtung 20 umfasst einen ersten Kolben 26, einen zweiten Kolben 28 und eine Verbindungseinrichtung 30, welche den ersten Kolben 26 und den zweiten Kolben 28 miteinander verbindet. Der erste Kolben 26 weist eine erste Kolbenfläche 32 auf, welche einer ersten Stirnwand 34 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Zwischen der ersten Kolbenfläche 32 und der ersten Stirnwand 34 ist in der Kolbenaufnahme 16 ein Expansionsraum 36 gebildet. Ein expandierendes Medium kann in dem Expansionsraum 36 eine Kraft auf den ersten Kolben 26 ausüben und dadurch die Kolbeneinrichtung 20 in der Linearrichtung 22 in einer Bewegung antreiben. Der Expansionsraum 36 weist ein variables Volumen auf, welches abhängig ist von der Stellung des ersten Kolbens 26 in Relation zu der ersten Stirnwand 34.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum 36 ein Verbrennungsraum, in dem Brennstoff mit Oxidator verbrennen kann. Die Verbrennungsgase treiben dann die Kolbeneinrichtung 20 an.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum 36 ein
Wärmeträgermedium expandiert und dabei die Kolbeneinrichtung 20 antreibt.
Der zweite Kolben 28 weist eine zweite Kolbenfläche 38 auf, welche einer zweiten Stirnwand 40 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Die erste Stirnwand 34 und die zweite Stirnwand 40 begrenzen die Kolbenaufnahme 16 stirnseitig . Die erste Kolbenfläche 32 und die zweite Kolbenfläche 38 sind abgewandt zueinander.
Zwischen der zweiten Kolbenfläche 38 und der zweiten Stirnwand 40 ist ein Rückfederraum 42 gebildet. In dem Rückfederraum 42 ist eine Rückfedereinrichtung 44 aufgenommen. Diese sorgt dafür, dass die Kolbeneinrichtung 20 durch Wirkung auf den zweiten Kolben 28 in Richtung der ersten Stirnwand 34 zurückbewegt wird .
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung 44 ein komprimierbares Medium und insbesondere ein Gas. Die Rückfedereinrichtung 44 ist dann als Gasfeder ausgebildet. (Die Rückfedereinrichtung 44 kann grundsätzlich auch eine oder mehrere mechanische Federn aufweisen.)
Durch das expandierende Medium, welches kräftemäßig auf den ersten Kolben 26 wirkt, wird die Kolbeneinrichtung 20 in Richtung der zweiten Stirnwand 40 bewegt. In dem Rückfederraum 42, welcher ein variables Volumen aufweist, wird die Rückfedereinrichtung 44 komprimiert. Sie übt dann eine Rückstellkraft auf die Kolbeneinrichtung 20 aus, welche diese dann in Gegenrichtung auf die erste Stirnwand 34 zu bewegt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind randseitig gegenüber der Kolbenaufnahme 16 abgedichtet. Eine solche Dichtung ist im Zusammenhang mit dem zweiten Kolben 28 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet. Dadurch sind der Expansionsraum 36 und der Rückfederraum 42 fluiddicht voneinander getrennt. Ferner ist ein Zwischenraum zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 fluiddicht von dem Expansionsraum 36 und dem Rückfederraum 42 getrennt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind beabstandet zueinander mit dazwischenliegender Verbindungseinrichtung 30. Diese ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass bei gewährleisteter struktureller Steifigkeit die Masse der bewegten Kolbeneinrichtung 20 minimiert ist.
Der elektrische Lineartrieb 14 umfasst eine Läufereinrichtung 48 und eine Statoreinrichtung 50. Die Läufereinrichtung 48 ist zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 an der Verbindungseinrichtung 30 angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von beispielsweise ringförmigen Permanentmagneten 52a, 52b usw., welche mit alternierender Polung angeordnet sind . Mit der linearen Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 bewegt sich die Läufereinrichtung 48 linear innerhalb der Kolbenaufnahme 16 außerhalb des Expansionsraums 36 und außerhalb des Rückfederraums 42.
Die Statoreinrichtung 50 ist außerhalb der Kolbenaufnahme stationär angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen 54, welche die Kolbenaufnahme 16 in dem Bereich umgeben, in welchem die Läufereinrichtung 48 beweglich ist.
Durch die Bewegung der Läufereinrichtung 48 wird eine Spannung an der Statoreinrichtung 50 induziert, welche abgreifbar ist. Es erfolgt eine (Teil-)Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektrische Energie lässt sich auskoppeln und nutzen.
Es ist auch möglich, wie in der WO 03/091556 AI beschrieben, über eine entsprechende elektrische Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu beeinflussen; der Kolbenhub lässt sich über den elektrischen Lineartrieb 14 variabel einstellen, so dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 definierbar sind.
Es ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 vorgesehen, durch welche Aktoren der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar sind und Sensorsignale der Freikolbenvorrichtung 10 auswertbar sind. Ferner gibt die Steuerungs-/Rege- lungseinrichtung 56 eine Steuerungsstrategie und Regelungsstrategie vor, die hardwaremäßig und/oder softwaremäßig realisiert ist.
An der ersten Stirnwand 34 ist (mindestens) ein Einlassventil 58 für Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch angeordnet. Ferner ist an der ersten Stirnwand 34 (mindestens) ein Auslassventil 60 angeordnet, über welches sich verbrauchtes Medium und insbesondere Verbrennungsabgase aus dem Expansionsraum 34 abführen lassen.
Es kann ferner eine Einspritzeinrichtung 61 zum Einspritzen von Brennstoff vorgesehen sein.
Weiterhin kann eine Zündungseinrichtung 62 vorgesehen sein (in Figur 1 aus darstellerischen Gründen in übertriebener Größe gezeigt), um ein Brennstoff- Oxidator-Gemisch in dem Expansionsraum 36, welcher dann ein Verbrennungsraum ist, zünden zu können.
Weiterhin ist dem Expansionsraum 36 eine Sensoreinrichtung 64 zugeordnet, über welche ein oder mehrere Parameter messbar sind. Beispielsweise sind der Druck im Expansionsraum 36 und/oder die Temperatur messbar. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 steuert das oder die Einlassventile 58, das Auslassventil 60, die Zündungseinrichtung 62, eine Ventileinrichtung für die Luftzuführung in den Expansionsraum 36 (siehe unten) und gegebenenfalls eine Einspritzeinrichtung an. Es lässt sich dadurch zu einem oder mehreren definierten Zeitpunkten das oder die Einlassventile 58 öffnen und schließen und/oder die Auslassventile 60 lässt sich öffnen und schließen.
Ferner lässt sich zu einem definierten Zeitpunkt Brennstoff einspritzen und ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch lässt sich zünden.
Signale der Sensoreinrichtung 64 werden an die Steuerungs-/Regelungsein- richtung 56 übermittelt.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ist ferner an den elektrischen Lineartrieb 14 gekoppelt, um beispielsweise gegebenenfalls über den elektrischen Lineartrieb 14 die Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 20 beeinflussen zu können.
Es ist eine Sensoreinrichtung 66 vorgesehen, welche entsprechende Sensorsignale der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereitstellt, über welche die momentane Position der Kolbeneinrichtung 20 in Relation zu der Kolbenaufnahme 16 messbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem Rückfederraum 42, wenn dieser ein Gasfederraum ist, ein Druckspeicher 68 zugeordnet. Der Druckspeicher 68 ist mit dem Rückfederraum 42 über ein Steuerventil 70 verbunden, welches durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ansteuerbar ist. Über den Druckspeicher 68 ist der Druck in dem Rückfederraum 42 beispielsweise in einem unteren Totpunkt (UTr) der Kolbeneinrichtung 20, bei welchem diese mit dem ersten Kolben 26 nächstliegend zu der ersten Stirnwand 34 ist, einstellbar. Es lassen sich dadurch die Eigenschaften der Gasfeder einstellen. Insbesondere lässt sich eine Federkonstante bzw. Federkennlinie einstellen. Der Druckspeicher 68 ist mit dem entsprechenden Rückfedermedium befüllbar bzw. er ist entleerbar. Insbesondere lässt sich der Druck in dem Druckspeicher 68 außerhalb der Kolbenaufnahme 16 einstellen. Entsprechend ist beispielsweise ein steuerbares Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 vorgesehen. Ein Weg ist ein Befüllungsweg für den Druckspeicher 68 und ein zweiter Weg ist ein Entlüftungsweg . Das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 ist an die Steuerungs-/Regelungs- einrichtung 56 gekoppelt. Eine Pumpe 73 ist an einen Eingang des Drei-Zwei- Wege-Ventils 72 angeschlossen.
Dem Rückfederraum 42 sind ein oder mehrere Sensoren 74 zugeordnet. Insbesondere ist ein Drucksensor vorgesehen. Es kann beispielsweise auch ein Temperatursensor vorgesehen sein. Diese stellen ihre gemessenen Werte der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereit.
In Figur 1 ist durch einen Pfeil 76 schematisch angedeutet, dass die Steue- rungs-/Regelungseinrichtung 56 auch weitere Freikolbenmotoren überwachen, steuern und regeln kann. Beispielsweise kann ein weiterer Freikolbenmotor vorgesehen sein, um bei entsprechender Anordnung der Kolbeneinrichtung einen Massenausgleich zu erhalten.
Durch eine zeitlich sich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36, beispielsweise durch eine sich zeitlich wiederholende Verbrennung von Brennstoff, wird die Kolbeneinrichtung 20 in einer Oszillationsbewegung angetrieben. Die Kolbeneinrichtung bewegt sich dabei zwischen einem bezogen auf den Expansionsraum 36 unteren Totpunkt (UTex) und oberen Totpunkt (OTex). Der untere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den größten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. Der obere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den kleinsten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. Ein Kolbenhub ist der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt. Dieser wird mit S bezeichnet.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 führt Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge durch. Die Luftzuführung zu dem Expansionsraum 36 (insbesondere Verbrennungsraum) erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung durch den ersten Kolben 26 hindurch. Dies ist in Figur 1 schematisch mit dem Pfeil 78 angedeutet.
Dazu sind in dem ersten Kolben 26 ein oder mehrere Kanäle 80 angeordnet. Diese stehen in fiuidwirksamer Verbindung mit einer Zuführungseinrichtung 82 für Luft, welche Luft bereitstellt.
Bei einer Ausführungsform lässt sich über die Zuführungseinrichtung 82 Luft in einen Zwischenraum 84 zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 einkoppeln, wobei der oder die Kanäle 80 wiederum in fiuidwirksamer Verbindung mit diesem Zwischenraum 84 stehen. Durch diesen hindurch lässt sich dann über den oder die Kanäle 80 Luft in den Expansionsraum 36 einführen. Es ist dabei, wie unten noch näher erläutert wird, eine Ventileinrichtung zum gesteuerten Einkoppeln vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass in der Verbindungseinrichtung 30 ein oder mehrere Kanäle (siehe unten) angeordnet sind, welche in fiuidwirksamer Verbindung mit dem oder den Kanälen 80 stehen. Durch diese Kanäle hindurch wird dann dem oder den Kanälen 80 Luft zur gesteuerten Einkopplung in den Expansionsraum 36 bereitgestellt. In den oder die Kanäle der Verbindungseinrichtung 30 kann wiederum Luft aus einer externen Quelle oder aus dem Rückfederraum 42 eingekoppelt werden.
Bei einer Ausführungsform, welche in Figur 2 schematisch gezeigt ist, umfasst die Verbindungseinrichtung 30 eine Kolbenstange 86, welche mit dem Kolben 26 verbunden ist. In dieser Kolbenstange 86, welche sich im Wesentlichen parallel zu der Linearrichtung 22 erstreckt, ist ein Kanal 88 gebildet, welcher ebenfalls im Wesentlichen parallel zu der Linearrichtung 22 orientiert ist. Dieser Kanal 88 geht in ein oder mehrere Kanäle 90 in dem Kolben 26 über. Es kann dabei ein Verteilerraum 92 vorgesehen sein, welcher mit mehreren Kanälen 90 in Verbindung steht.
Der oder die Kanäle 90 stehen in fluidwirksamer Verbindung mit dem Expansionsraum 96. Ein entsprechender Kanal 90 weist dazu eine Mündungsöffnung 94 auf, welche in den Expansionsraum 36 führt. Die Mündungsöffnung 94 steht in fluidwirksamer Verbindung mit dem Kanal 88 und der Kolbenstange 86. Durch den Kanal 88 hindurch lässt sich über den Kanal 90 Luft in den Expansionsraum 36 einkoppeln.
Der Kanal 88 wiederum steht in fluidwirksamer Verbindung mit der Zuführungseinrichtung 82 für Luft beziehungsweise ist ein Teil dieser Zuführungseinrichtung . Die entsprechende Luft kann von einer externen Luftquelle bereitgestellt werden oder, wenn der Kanal 88 in fluidwirksamer Verbindung mit dem Rückfederraum 42 steht, kann über diesen mit Luft versorgt werden.
An dem ersten Kolben 26 ist eine Ventileinrichtung 96 angeordnet. Es ist dabei jedem Kanal 90 ein entsprechendes Ventil 98 der Ventileinrichtung 96 zugeordnet, so dass über das entsprechende Ventil 98 die Lufteinkopplung aus dem Kanal 90 in den Expansionsraum 36 gesteuert freigebbar beziehungsweise sperrbar ist. Die Freigabe beziehungsweise Sperrung lässt sich dabei steuern und insbesondere zeitlich beziehungsweise in Abhängigkeit von der Position des ersten Kolbens 26 steuern.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Ventil 98 durch ein Tellerventil 100 gebildet. Dieses Tellerventil 100 weist einen ersten Teller 102 auf, welcher vor einer Seite des ersten Kolbens 26 positioniert ist, welche den Expansionsraum 36 begrenzt.
Das Tellerventil 100 weist ferner einen zweiten Teller 104 auf, welcher dem ersten Teller 102 gegenüberliegt und beispielsweise in dem Verteilerraum 92 positioniert ist. Der erste Teller 102 und der zweite Teller 104 sind durch eine Verbindungsstange 106 verbunden.
Das Tellerventil 100 ist über eine Feder 108 an einer Wand 110 abgestützt, in welcher der entsprechende Kanal 90 gebildet ist. Die Feder 108 liegt dabei zwischen der Wand 110 und dem zweiten Teller 104. Ohne zusätzlich wirkende Kraft ist die Feder 108 bestrebt, das Ventil 98 zu schließen und dabei den ersten Teller 102 gegen die erste Kolbenfläche 32 zu drücken.
Wenn auf den zweiten Teller 104 durch entsprechende Luftzuführung eine Druckkraft ausgeübt wird, dann kann diese bei genügender Größe ein
Zusammendrücken der Feder 108 bewirken. Dies verursacht ein Abheben des ersten Tellers 102 von der ersten Kolbenfläche 32 und damit ein Öffnen des Tellerventils 100. Dadurch kann dann Luft durch den entsprechenden Kanal 90 hindurch in den Expansionsraum 36 einströmen.
Das Tellerventil 100 ist insbesondere druckdifferenzgesteuert. Die Druckdifferenz zwischen dem Expansionsraum 36 und dem Verteilerraum 92 bestimmt, ob das Tellerventil 100 geöffnet oder geschlossen ist. Durch entsprechende Dimensionierung der Feder 108 lässt sich dadurch das Zuführen von Luft in den Expansionsraum 36 gezielt in Abhängigkeit von der Druckdifferenz steuern.
Es ist grundsätzlich aber auch möglich, dass das Tellerventil 100 beispielsweise durch elektrische Signale angesteuert wird.
Das Auslassventil 60 für den Gaswechsel in dem Expansionsraum 36 liegt der oder den Mündungsöffnungen 94 gegenüber. Es lässt sich dadurch eine Längsspülung in dem Expansionsraum 36 erreichen. Die Hauptströmungsrichtung für Luft in dem Expansionsraum 36 ist mindestens näherungsweise parallel zu der Linearrichtung 22. Die Hauptströmungsrichtung für das Abführen von Gasen und insbesondere Verbrennungsgasen über das Auslassventil 60 aus dem Expansionsraum 36 ist ebenfalls mindestens näherungsweise parallel zu der Linearrichtung 22.
Wenn die Luft, welche über den Kanal 88 dem ersten Kolben 26 zugeführt wird, aus dem Rückfederraum 42 eingekoppelt wird, dann muss der zweite Kolben 28 entsprechend dem ersten Kolben 26 mit einem oder mehreren Kanälen und mit einer Ventileinrichtung versehen sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Figur 3 schematisch gezeigt ist, umfasst ein entsprechender Freikolbenmotor eine Kolbenaufnahme 112, in welcher eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben 114 linear beweglich ist. Dieser Kolben 114 begrenzt mit einer ersten Kolbenfläche 116 einen Expansionsraum und insbesondere Verbrennungsraum 118. Mit einer zweiten Kolbenfläche 120 begrenzt der Kolben 114 einen Rückfederraum 122, welcher ein Gasfederraum mit Luft als Gas ist. Dem Rückfederraum 122 ist eine Zuführungseinrichtung 124 für Luft zugeordnet, über welche "Frischluft" in den Rückfederraum 122 einkoppelbar ist. Die Zuführungseinrichtung 124 umfasst dabei insbesondere das Steuerventil 70.
In dem Kolben 114 sind zwischen der ersten Kolbenfläche 116 und der zweiten Kolbenfläche 120 Kanäle 126 gebildet. Ein entsprechender Kanal 126 steht mit einer ersten Mündungsöffnung 128 in fluidwirksamer Verbindung mit dem Expansionsraum 118. Mit einer zweiten Mündungsöffnung 130 steht der entsprechende Kanal 126 in fluidwirksamer Verbindung mit dem Rückfederraum 122. Über die Kanäle 126 lässt sich dadurch durch die zweite Mündungsöffnung 130 hindurch Luft aus dem Rückfederraum 122 in den Expansionsraum 118 einkoppeln.
Die Zuführungseinrichtung 124 für Luft bildet einen Teil einer Zuführungseinrichtung für Luft in den Expansionsraum 118 durch den Kolben 114 hindurch.
Der Kolben 114 weist eine Ventileinrichtung 132 auf, durch welche steuerbar ist, ob Luft durch die Kanäle 126 in den Expansionsraum 118 einblasbar ist oder ob diese Einblasung gesperrt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Ventileinrichtung 132 einen Drehschieber 134 auf, welcher um eine Drehachse 136 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 136 ist mindestens näherungsweise parallel zu der Linearrichtung 22. Der Drehschieber 134 ist an einer Welle 138 drehfest angeordnet. Die Welle 138 ist in einer Kolbenstange 140 drehbar gelagert. Die Kolbenstange 140 läuft beispielsweise durch den Rückfederraum 122 hindurch durch eine entsprechende abgedichtete Öffnung 142 in einer Stirnwand 144 der Kolbenaufnahme 112. Die Stirnwand 144 liegt dabei einer Stirnwand 146 gegenüber, an welcher (mindestens) ein Einlassventil entsprechend dem Einlassventil 58 und (mindestens) ein Auslassventil entsprechend dem Auslassventil 60 angeordnet ist. Die ersten Kolbenfläche 116 weist der Stirnwand 146 zu.
Ein Scheibenelement 148 des Drehschiebers 134 weist durchgehende
Öffnungen 150 auf, welche mit den Kanälen 126 korrespondieren. Das
Scheibenelement 148 ist dabei zwischen einem ersten Kolbenabschnitt 152 und einem zweiten Kolbenabschnitt 154 angeordnet. In dem ersten Kolbenabschnitt 152 sind ein erster Teil der Kanäle 126 angeordnet und im zweiten Kolbenabschnitt 154 sind ein jeweiliger zweiter Teil der Kanäle 126 angeordnet, wobei für einen Kanal 126 der erste Teil und der zweite Teil fluchtend zueinander ausgerichtet sind . In einer bestimmten Drehstellung des Scheibenelements 148 liegt eine entsprechende Öffnung 150 fluchtend mit dem ersten Teil eines Kanals 126 und dem zweiten Teil eines Kanals 126. Dadurch ist der entsprechende Kanal 126 offen und Luft kann durch den Rückfederraum 122 in den Expansionsraum 118 strömen.
In einer Sperrstellung des Scheibenelements 148 deckt ein nichtdurchgehender Teil des Scheibenelements 148 den zweiten Teil des entsprechenden Kanals 126 ab, so dass die fluidwirksame Verbindung unterbrochen ist und keine Luft aus dem Rückfederraum 122 in den Expansionsraum 118 einströmen kann. Das Scheibenelement 148 ist beispielsweise über die Steuerungs-/Regelungs- einrichtung 56 ansteuerbar. Dazu muss ein entsprechender Antrieb für die Welle 138 vorgesehen sein. Beispielsweise ist ein induktiver Antrieb möglich.
Es ist auch möglich, dass die Position des Scheibenelements 148 mechanisch in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 114 gesteuert ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel, welches in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist, ist an der Welle 138 eine schräglaufende Nut 156 gebildet. Die Kolbenstange 140 (Figur 4) weist eine Ausnehmung 158 auf, durch welche ein Stiftelement 160 durchgetaucht ist. Die Ausnehmung 158 ist dabei so ausgebildet, dass die Beweglichkeit des Kolbens 114 in seiner Linearbewegung nicht behindert wird . Das Stiftelement 160 ist fest mit der Kolbenaufnahme 112 verbunden. Eine lineare Bewegung des Kolbens 114 relativ zu der Kolbenaufnahme 112 bewirkt eine relative Bewegung der Nut 156 zu dem Stiftelement 160. Aufgrund der schrägen Ausrichtung der Nut 156 führt eine entsprechende lineare Bewegung zu einer Drehbewegung der Welle 138 und damit des Scheibenelements 148. Diese Drehbewegung bewirkt in Abhängigkeit der Position des Kolbens 114 ein Öffnen beziehungsweise ein Schließen der Kanäle 126.
Bei dem Kolben 114 lässt sich eine Längsspülung mit Luftzuführung von dem Rückfederraum 122 erreichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches schematisch in Figur 6 gezeigt ist, ist ein Kolben 162 vorgesehen, welcher mit einer ersten Kolbenfläche 163 einen Expansionsraum begrenzt und mit einer zweiten Kolbenfläche 165 einen Rückfederraum 166 begrenzt.
In dem Kolben 162 sind ein oder mehrere Kanäle 168 angeordnet, welche sich zwischen der ersten Kolbenfläche 163 und der zweiten Kolbenfläche 165 erstrecken. Der oder die Kanäle 168 sorgen für eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem Rückfederraum 166 und dem Expansionsraum 164. Es ist eine Ventileinrichtung 170 vorgesehen, welche die fluidwirksame Verbindung zwischen dem Rückfederraum 166 und dem Expansionsraum 164 gesteuert öffnen und schließen kann.
Die Ventileinrichtung 170 umfasst dabei Tellerventile 172, wobei jeweils ein Tellerventil 172 einem Kanal 168 zugeordnet ist. Über ein Tellerventil 172 lässt sich ähnlich wie oben beschrieben ein Kanal 168 bezüglich seiner fluid- wirksamen Verbindung öffnen und schließen.
Ein entsprechendes Tellerventil 172 ist insbesondere druckdifferenzgesteuert, wobei die Druckdifferenz, welche das Öffnen und das Schließen eines Tellerventils 172 steuert, die Druckdifferenz zwischen dem Rückfederraum 122 und dem Expansionsraum 164 ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Luftspülung des Expansionsraums 36 beziehungsweise 118 beziehungsweise 164 durch den entsprechenden Kolben 26 beziehungsweise 114 beziehungsweise 162 hindurch, welcher den entsprechenden Expansionsraum 36 beziehungsweise 118 beziehungsweise 164 begrenzt. Dadurch lässt sich eine Längsspülung realisieren . Auch bei variablem Kolbenhub lässt sich eine Längsspülung realisieren.
Da ein Teil der Ventile, welche für einen Gaswechsel notwendig sind, an dem Kolben 26 beziehungsweise 114 beziehungsweise 162 angeordnet sind, lässt sich eine Platzoptimierung erreichen. An der Stirnwand 34 beziehungsweise 146 (Zylinderkopf) muss die entsprechende Ventileinrichtung für die Frischluftzuführung nicht mehr angeordnet werden, so dass eine Bauraumoptimierung stattfindet. Da es sinnvoll ist, entsprechende Einlassventile 58, 60 möglichst parallel zu der Linearrichtung 22 anzuordnen, lassen sich die entsprechenden Komponenten optimiert positionieren, da kein Platzbedarf mehr für eine Ventileinrichtung für die Frischluftzufuhr an der entsprechenden Stirnwand notwendig ist. Durch die Luftzuführung durch den entsprechenden Kolben hindurch lässt sich auch eine Kühlung des Kolbens erreichen.
Weiterhin lassen sich Blowby-Verluste an dem entsprechenden Kolben minimieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
Wenn sich der erste Kolben 26 in seinem oberen Totpunkt (bezogen auf den Expansionsraum 36) befindet, dann ist das Gas im Expansionsraum 36 komprimiert und es kann eine Verbrennung beziehungsweise nachfolgende Expansion stattfinden. Wenn sich der erste Kolben 26 in seinem oberen Totpunkt bezogen auf den Expansionsraum 36 befindet, dann liegt der zweite Kolben 28 in seinem unteren Totpunkt bezogen auf den Rückfederraum 42.
Luft in dem Rückfederraum 40 ist expandiert. Über Öffnen des Drei-Zwei- Wege-Ventils wird Luft in den Rückfederraum 40 eingekoppelt. Dies erfolgt idealerweise in der Nähe des unteren Totpunkts des zweiten Kolbens 28 bezogen auf den Rückfederraum 42, da hier der Druck am niedrigsten ist.
Wenn sich der erste Kolben 26 aus seinem oberen Totpunkt heraus in Richtung des unteren Totpunkts bewegt, dann expandieren Gase im Expansionsraum 36 (insbesondere Verbrennungsgase). An einem bestimmten Punkt schließt das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 und Luft in dem Rückfederraum 42 wird komprimiert.
Um den unteren Totpunkt des ersten Kolbens 26 bezogen auf den Expansionsraum 36 wird das Auslassventil 60 geöffnet und Gase und insbesondere Verbrennungsgase können in einen Abgastrakt abströmen.
Nach Öffnen des Auslassventils 60 wird ebenfalls die Ventileinrichtung 96 geöffnet. Es kann dann Frischluft in den Expansionsraum 36 strömen. Je nach Ausführungsform kommt diese Frischluft aus dem Rückfederraum 42 oder von einer externen Luftquelle unter Umgehung des Rückfederraums 42.
Im Falle, dass diese Luft aus dem Rückfederraum 42 stammt, findet dort eine relativ starke Druckabsenkung statt. Die Druckabsenkung darf aber nur so hoch sein, dass der Druck immer noch über dem Druck in dem Expansionsraum 36 liegt, um für eine Rückführung der Kolbeneinrichtung 20 zu sorgen.
Es wird dann das Auslassventil 60 geschlossen. Dies erfolgt entweder vor oder nach Erreichen des unteren Totpunkts für den ersten Kolben 26 bezogen auf den Expansionsraum 36.
Nach Schließen des Auslassventils 60 wird die Ventileinrichtung 96 geschlossen. Der Gaswechsel in dem Expansionsraum 36 ist dann abgeschlossen.
Der erste Kolben 26 bewegt sich aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in Richtung seines oberen Totpunkts und dabei wird das Gasgemisch (Brennstoff und Luft) in dem Expansionsraum 36 komprimiert.
Es kann dann eine Zündung (automatisch oder über die Zündungseinrichtung 62) erfolgen.
Das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 wird um den oberen Totpunkt des ersten Kolbens 26 bezogen auf den Expansionsraum 36 geöffnet, um Luft in den Rückfederraum 42 nachzuführen, um den Luftverlust aufgrund der Luftzuführung in den Expansionsraum 36 auszugleichen, sofern die in den Expansionsraum 36 eingeführte Luft aus dem Rückfederraum 42 stammt. Der Kreislauf kann dann von neuem beginnen.
Die Zeiten für die Steuerung der Ventileinrichtung 96, das heißt die Zeiten, wenn die Ventileinrichtung 96 offen oder geschlossen ist, hängen vom jeweiligen Betriebspunkt und auch von der speziellen Anwendung ab. BEZUGSZEICHENLISTE Freikolbenvorrichtung
Freikolbenmotor
Elektrischer Lineartrieb
Kolbenaufnahme
Kolbenwand
Kolbeneinrichtung
Linearrichtung
Achse
Erster Kolben
Zweiter Kolben
Verbindungseinrichtung
Erste Kolbenfläche
Erste Stirnwand
Expansionsraum
Zweite Kolbenfläche
Zweite Stirnwand
Rückfederraum
Rückfedereinrichtung
Dichtung
Läufereinrichtung
Statoreinrichtung
a Ringförmiger Permanentmagnet
b Ringförmiger Permanentmagnet
Wicklung
Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Einlassventil
Auslassventil
Einspritzeinrichtung
Zündungseinrichtung
Sensoreinrichtung Sensoreinrichtung
Druckspeicher
Steuerventil
Drei-Zwei- Wege- Ventil
Pumpe
Sensor
Pfeil
Pfeil
Kanal
Zuführungseinrichtung
Zwischenraum
Kolbenstange
Kanal
Kanal
Verteilerraum
Mündungsöffnung
Ventileinrichtung
Ventil
Tellerventil
Erster Teller
Zweiter Teller
Verbindungsstange
Feder
Wand
Kolbenaufnahme
Kolben
Erste Kolbenfläche
Verbrennungsraum
Zweite Kolbenfläche
Rückfederraum
Zuführungseinrichtung
Kanal
Erste Mündungsöffnung Zweite Mündungsöffnung Ventileinrichtung
Drehschieber
Drehachse
Welle
Kolbenstange
Öffnung
Stirnwand
Stirnwand
Scheibenelement Öffnung
Erster Kolbenabschnitt Zweiter Kolbenabschnitt Nut
Ausnehmung
Stiftelement
Kolben
Erste Kolbenfläche Expansionsraum
Rückfederraum
Kanal
Ventileinrichtung
Tellerventil

Claims

PATENTANSPÜCHE
1. Freikolbenvorrichtung, umfassend mindestens einen Freikolbenmotor (12) mit mindestens einer Kolbenaufnahme (16; 112), in welcher ein Expansionsraum (36; 118; 164) für die Expansion eines Antriebsmediums gebildet ist, und eine Kolbeneinrichtung (20) mit einem Kolben (26; 114; 162), weicher den Expansionsraum (36; 118; 164) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kolben (26; 114; 162) eine Zuführungseinrichtung (82) für Luft zugeordnet ist und dass an dem
Kolben (26; 114; 162) eine Ventileinrichtung (96; 132; 170) angeordnet ist, welche in fluidwirksamer Verbindung mit der Zuführungseinrichtung (82) für Luft steht, wobei Luft durch den Kolben (26; 114; 162) hindurch in den Expansionsraum (36; 118; 164) einbringbar ist und die Lufteinbringung durch die Ventileinrichtung (26; 114; 162) gesteuert ist.
2. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Expansionsraum (36; 118; 164) eine Auslassventileinrichtung (60) zugeordnet ist, welche an einer dem Kolben (26; 114; 162) gegenüberliegenden Stirnwand (34; 144) der Kolbenaufnahme (112) angeordnet ist.
3. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (82) in fluidwirksamer Verbindung mit einer Luftquelle steht.
4. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (82) in fluidwirksamer Verbindung mit einem Rückfederraum (42; 122; 166) steht, in welchem eine Rückfedereinrichtung (44) für die Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung (20) angeordnet ist.
5. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückfederraum (42) ein Gasfederraum ist mit Luft als Gasfedermedium.
6. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rückfederraum (42) eine Zuführungseinrichtung für Luft zugeordnet ist.
7. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtung (82) in fluidwirk- samer Verbindung mit einer außerhalb der Kolbenaufnahme (16) angeordneten Luftquelle steht.
8. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben (26) eine Verbindungseinrichtung (30) angeordnet ist, in welcher ein oder mehrere Kanäle (88) der Zuführungseinrichtung (82) angeordnet sind.
9. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (30) eine Kolbenstange (86) umfasst, in welcher mindestens ein Kanal (88) angeordnet ist.
10. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kanal (80; 90; 126; 168) in dem Kolben (26; 114; 162) angeordnet ist, welcher in fluidwirksamer Verbindung mit dem Expansionsraum (36; 118; 164) steht.
11. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (90) in dem Kolben (26) in fluidwirksamer Verbindung mit mindestens einem Kanal (88) steht, welcher in einer Verbindungseinrichtung (30) angeordnet ist.
12. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kanal (80; 90; 126; 168) in dem Kolben (26; 114; 162) in fluidwirksamer Verbindung mit einem Rückfederraum (42) steht.
13. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (96; 132; 170) mindestens ein Sperrelement aufweist, mittels welchem die Luftdurchführung durch den mindestens einen Kanal (80; 90; 126; 168) in dem Kolben (26; 114; 162) und/oder durch einen Kanal (88) in einer Verbindungseinrichtung (30) gesteuert offenbar und schließbar ist.
14. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (96; 132; 170) mechanisch und/oder elektrisch angesteuert ist.
15. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (132) einen Drehschieber (134) umfasst.
16. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschieber (134) bezüglich einer Drehstellung an eine Stellung des Kolbens (114) gekoppelt ist.
17. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (96) mindestens ein Tellerventil (100) umfasst.
18. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung und Sperrung des mindestens einen Tellerventils (100) druckdifferenzgesteuert ist.
19. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Lineartrieb (14), welcher eine Läufereinrichtung (48) und eine Statoreinrichtung (50) umfasst, wobei die Läufereinrichtung (48) an der Kolbeneinrichtung (30) angeordnet ist.
20. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbeneinrichtung (30) einen ersten Kolben (26) umfasst, welcher den Expansionsraum (36) begrenzt, und einen zweiten Kolben (28) umfasst, welcher einen Rückfederraum (42) begrenzt, wobei zwischen dem ersten Kolben (26) und dem zweiten Kolben (28) ein Zwischenraum (84) liegt.
21. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kolben (114) mit einer ersten Seite (116) den Expansionsraum (118) begrenzt und mit einer gegenüberliegenden zweiten Seite (120) einen Rückfederraum (122) begrenzt.
22. Verfahren zum Gaswechsel in einem Freikolbenmotor, welcher eine
Kolbenaufnahme, einen in der Kolbenaufnahme angeordneten Expansionsraum, und eine in der Kolbenaufnahme linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, welcher den Expansionsraum begrenzt, umfasst, bei dem Luft in den Expansionsraum gesteuert durch den Kolben hindurch eingekoppelt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass Gas aus dem Expansionsraum durch eine Stirnwand hindurch abgeführt wird, welche dem Kolben gegenüberliegt.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gaslängsspülung durchgeführt wird, bei dem eine Hauptströmungsrichtung von Luft in den Expansionsraum und von Gasen aus dem Expansionsraum mindestens näherungsweise parallel zu einer Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass Luft aus einem Rückfederraum durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum eingeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Luft von einer Luftquelle durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum eingekoppelt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben eine Ventileinrichtung angeordnet ist, durch welche die Luftzuführung in den Expansionsraum in Abhängigkeit der Position des Kolbens gesteuert wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführung durch den Kolben hindurch in den Expansionsraum zeitlich gesteuert wird.
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