WO2017109207A1 - Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator - Google Patents

Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator Download PDF

Info

Publication number
WO2017109207A1
WO2017109207A1 PCT/EP2016/082613 EP2016082613W WO2017109207A1 WO 2017109207 A1 WO2017109207 A1 WO 2017109207A1 EP 2016082613 W EP2016082613 W EP 2016082613W WO 2017109207 A1 WO2017109207 A1 WO 2017109207A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
counter
inlet
outlet
free
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/082613
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Kock
Stephan Johannes SCHNEIDER
Alex HERON
Roman Virsik
Original Assignee
Swengin Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Swengin Gmbh filed Critical Swengin Gmbh
Publication of WO2017109207A1 publication Critical patent/WO2017109207A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/007Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in only one direction is obtained by a single acting piston motor, e.g. with actuation in the other direction by spring means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B7/00Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F01B7/02Machines or engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with oppositely reciprocating pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L21/00Use of working pistons or pistons-rods as fluid-distributing valves or as valve-supporting elements, e.g. in free-piston machines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/02Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using unidirectional scavenging
    • F02B25/08Engines with oppositely-moving reciprocating working pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/041Linear electric generators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/28Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D39/00Other non-electrical control
    • F02D39/10Other non-electrical control for free-piston engines; for engines without rotary main shaft

Definitions

  • the invention relates to a free piston linear generator for generating electrical energy and to a method for controlling a free piston linear generator.
  • Such a free-piston linear generator combines a so-called free-piston engine, that is to say an internal combustion engine, and a so-called electric linear generator for decoupling electrical energy from the system with one another.
  • a free-piston engine is characterized by the fact that it couples a heat engine with internal or external combustion directly with a working machine for the provision of pneumatic, hydraulic or electrical energy.
  • the free piston can move freely between its dead centers without kinematic forced operation.
  • free piston linear generators in which the rotor is positioned as an annular or disk-shaped magnet in direct extension of the piston coaxial with the longitudinal axis and in a surrounding annular stator runs.
  • rotors and stators there is also another system of rotors and stators in which the rotors and stators are not coaxial with the longitudinal axis and in the immediate extension of the piston, but are arranged in groups laterally of the longitudinal axis. So if you look at such systems in the longitudinal direction, rotor-stator groups are left and right or up or down (spatial direction is not limited) side by side as packages.
  • the invention relates to a free-piston linear generator of both systems.
  • free-piston linear generators which are constructed in the counter-piston principle, are a piston and a mechanically separated from him opposed piston opposite each other in the cylinder chamber and border with their front sides one common combustion chamber.
  • This combustion chamber is enlarged when combustion fluid is burned in the combustion chamber.
  • the pistons move apart and are then pushed together by a springback mechanism.
  • the gas and fuel supply and the combustion gas removal must be controlled.
  • the inlet and outlet ports are open when the pistons are at bottom dead center. In the region of the bottom dead center, the outlet channels are therefore open so that the combustion gas can flow out of the combustion chamber when the pistons are subsequently moved toward one another.
  • Such an arrangement of the inlet and outlet ports is called cross-scouring.
  • the invention provides a free-piston linear generator which exhibits improved mileage during operation. This is achieved by a free-piston linear generator for generating electrical
  • a cylinder chamber having a longitudinal axis, a cylinder in the cylinder space along the longitudinal axis movable piston and a cylinder in the longitudinal axis movable, mechanically separate piston from the piston, with piston and opposed piston with their towards each other directed end faces within the cylinder chamber delimit a combustion chamber, a plurality of mechanically co-located with the piston and the piston and associated stators, in each of which electrical energy can be generated upon movement of the associated rotor, wherein at least one inlet channel opens into the combustion chamber, via the combustion fluid and / or air is introduced into the combustion chamber, at least one outlet channel emanating from the combustion chamber, escaping via the combustion gas from the combustion chamber, the at least one inlet channel or, in the case of several inlet channels, all inlet channels in the region of the bottom dead center of the piston via an or , a plurality of inlet openings open into the combustion chamber, and the at least one outlet channel or, in
  • the free-piston linear generator according to the invention works exclusively according to the longitudinal rinsing principle. This means that there are no diametrically opposed or located in the region of a common annular section inlet and outlet ports, rather, the inlet openings are associated with the piston and arranged at the bottom dead center, whereas the outlet openings are in the region of the bottom dead center of the counter-piston.
  • This longitudinal purge gas is more completely removed from the combustion chamber. Due to the fact that a free-piston linear generator has a variable stroke, this solution has not been considered. However, experiments have shown that the solution is very practical and advantageous.
  • a variant of the invention provides that the at least one inlet opening and the at least one outlet opening are closed during operation in predetermined positions by the piston or counter-piston.
  • the piston and the counter-piston are therefore there to control the fluid supply or the fluid outlet, so that no separate valves are absolutely necessary.
  • the at least one outlet opening or, if several are present, preferably also all the outlet openings are opened in time before the at least one or even all outlet openings . This means that the exhaust gas outlet already takes place in the stroke in the direction of bottom dead center, before the fresh gas is supplied, and not only from reaching bottom dead center.
  • the rinsing effect is improved by the longitudinal rinsing, in particular by the rinsing with a first opened outlet, and a short-circuit rinsing is reduced.
  • the axial center is determined when the piston and the opposed piston are at top dead center, that is, when they are maximally close to each other.
  • the axial distance between piston and piston is halved. This then results in the axial center of the combustion chamber.
  • the opposed piston Provided that the piston and the opposed piston are not moved extremely rapidly to bottom dead center, the opposed piston first reaches the exhaust port, passes it, so that it is exposed and exhaust gas can flow out over it.
  • piston and counter-piston can move synchronously to the axial center of the combustion chamber.
  • the movement of the piston and the counter-piston is identical; the upper and / or the lower counter-piston can reach their upper or lower dead centers at the same time or move at the same speed.
  • the piston can be moved asynchronously to the counter-piston, for example following the counter-piston at least during the movement towards the bottom dead center, that is to say because of the higher speed of the counter-piston this reaches its bottom dead center and the outlet opening earlier than the piston its dead center and its inlet opening ,
  • the (preferably all) outlet and (preferably all) inlet openings may be at the same axial distance from the axial center.
  • This different speed of the two pistons can be achieved by an electrical control for the stators.
  • control stands for both control and regulation, the latter being preferred, this regulation changing the resistance that is opposed to the associated rotor when moving along its associated stator, which then controls the movement of the piston and the opposed piston
  • the control regulates or regulates the current in the respective coils of the stators, whereby a braking of the corresponding piston is achieved by lower permitted current flow through the coil .
  • the speed or more generally the movement of the piston via variable or House made different Gas springs are controlled / regulated.
  • the amount of gas in the return chamber may be variable and / or the return piston may have different piston diameter.
  • the cross-sectional areas of the or all inlet openings may be identical to the cross-sectional area or areas of the or each outlet opening.
  • a variant of the invention provides that the aforementioned electrical control can control the stator of the counter-piston such that it opposes the other piston, in particular lower resistance in the process along the stroke in the direction of bottom dead center as opposed to the piston of the piston.
  • stator opposes different resistances due to the control of the counter-piston during the travel, ie along the stroke.
  • the resistance may increase toward bottom dead center.
  • variable return device for example an adjustable gas spring.
  • variable return devices are provided on the piston and on the counter-piston, the piston and counter-piston reset from bottom to top dead center, wherein the resistance of the piston and the counter-piston by means of their variable return part device via a control is adjustable differently to move the piston and the opposed piston asymmetrically.
  • the pistons can simultaneously start from top dead center and different brakes can be decelerated so that the counter-piston exposes the at least one outflow opening before the piston exposes the at least one inlet opening. Again, it is possible to let all the outlet and inlet openings start axially equidistant from the axial center.
  • the rear part device can cooperate with the stators to realize the desired different, unsynchronous movements of the piston and the opposed piston.
  • inlet openings and / or outlet openings can be used be provided of different cross section.
  • These different cross sections of the inlet openings and / or different cross sections of the outlet openings are based on the fact that the flow is split up into partial flows in a targeted manner, but the different openings are located at different distances from the not yet branched channel. This results in different flow pressures and gas quantities in the sub-channels. For example, as the distance from the not yet branched section of the inlet channel or outlet channel increases, the cross section of the respective inlet opening or outlet opening becomes increasingly smaller.
  • the inlet channel can split into several subchannels towards the inlet openings. These sub-channels then lead to the inlet openings.
  • each sub-channel which then closes with the inlet opening, is the so-called inlet channel end.
  • These may also have partial channels that begin at the outlet openings with outlet channel ends, ie the first piece of the sub-channel. The sub-channels then go into a common outlet channel.
  • the inlet channel ends and / or the outlet channel ends open at different angles in the combustion chamber or go from different angles from the combustion chamber. These angles are measured in radial section view to the longitudinal axis. Due to these different angles, the flow through the combustion chamber should be optimized.
  • inlet channel ends which are maximally removed from a branching point at the inlet channel, where it splits into subchannels are at a greater angle to the inlet channel section immediately before this branching point than the inlet channel ends which are closer to the inlet channel Branch point lie.
  • the inlet channel ends lying close to the branching point usually extend in a straight line into the combustion chamber substantially parallel to one another, whereas the remotely extending inlet channel ends open towards the combustion chamber.
  • pairs of opposing inlet openings may be present, which are optionally even designed so that the inlet openings are aligned symmetrically to an axis.
  • the different flows to the inlet openings or from the outlet openings can be realized easily by virtue of the fact that a circumferentially closed or approximately circumferentially closed annular space extending from the inlet channel leads around the combustion chamber and the inlet openings are flow-connected to the annular space. The same can also be provided with the outlet channel.
  • the cross section of the annular space can be reduced with increasing distance from the inlet channel, in particular continuously. As with increasing distance from the inlet channel section in front of the annulus and less gas to inflow is present, the cross section of the annular space of the smaller amount of gas is adjusted.
  • the inlet channel, the inlet channel ends, the outlet channel and / or the outlet channel ends should, seen in side view, extend obliquely to the longitudinal axis in the region of the transition to the inlet openings or outlet openings, for example inclined obliquely toward the center of the combustion chamber.
  • the incoming gas receives a component of movement which is directed in the direction of the outflow openings, with which a rapid complete inflow of the gas into the combustion chamber can be achieved.
  • as few deflections should be present in the sub-channels.
  • a controller coupled to and driving the stators, the controller being configured to drive the stators such that when moving the piston and the opposed piston away from each other and / or towards each other the resistance of the at least one rotor is changed when moving along its associated stator from the stator, is changed so that, starting from piston and piston from top dead center away from each other, the at least one outlet opening associated opposed piston is delayed differently compared to the at least one inlet port associated piston, so that piston and counter-piston are moved non-synchronously to their bottom dead centers and the at least one outlet opening is opened in time before the at least one inlet opening and / or so that the movements of the piston and the counter-piston starting from their bottom dead centers by different Actuation of the stators take place differently, so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
  • the free-piston linear generator according to the invention can have a control and sensors connected to it, with which the movement of piston and counter-piston is determined, wherein in the control a predetermined value is stored by which the counter-piston at least leads the piston.
  • the control is programmed to differently actuate the stators when moving the piston and the opposed piston, if the opposed piston does not precede the piston by at least the predetermined value, and to oppose the piston and the opposed piston with different resistances through their associated stators and move the piston and the opposed piston less synchronously with each other to let, so that the distance of the opposing piston from the piston is larger again.
  • the invention also relates to a method for controlling the
  • Piston and / or the counter-piston of a free-piston linear generator according to the invention for generating electrical energy which is designed according to the counter-piston principle and has an electrical control for the stators.
  • the method is characterized by the following step: driving the stators away and / or towards each other when moving the piston and the counter-piston such that the resistance, which is opposed to at least one rotor when moving along its associated stator from the stator, is changed so that Moving piston and opposed piston from top dead center starting away from each other, the at least one outlet opening associated opposed piston is differently delayed compared to the at least one inlet port associated piston and piston and opposed piston unsynchronized to their bottom dead centers are moved and the at least one Outlet opening is opened in time before the at least one inlet opening and / or the movements of the piston and the opposed piston are initiated differently from their bottom dead centers by different loading of the stators, so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
  • the invention further relates to a method for controlling the piston and / or counter-piston of a free-piston linear generator for generating electrical energy, which is designed according to the counter-piston principle and has an electrical control for the stators, this method being characterized by the following steps:
  • the stators can be controlled differently so that, due to the different, the piston and the opposed piston opposing resistors, the counter-piston exposes the at least one outlet before the piston exposes the at least one inlet opening, and / or are driven so different that the at least an outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
  • the maximum distance by which the opposing piston precedes the piston is stored in the control. Stators are controlled in such a way, as soon as the maximum distance is exceeded, that the piston approaches the counter-piston to below the maximum distance.
  • the control can furthermore control a stator in such a way, but in particular control all stators in such a way that the stator or the stators have a different resistance during the process along the Strokes towards the bottom dead center oppose, as opposed to the piston or the stators associated with the piston during its movement in the direction of bottom dead center.
  • all inlet openings and all outlet openings can likewise be equidistant from the axial center.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal sectional view through an exemplary first embodiment of the free-piston linear generator according to the invention, wherein the piston and the counter-piston are shown at bottom dead center,
  • FIG. 2 shows the free-piston linear generator according to FIG. 1 with piston and counter-piston at top dead center.
  • FIG. 3 shows a sectional view in the form of a radial section through the free-piston linear generator according to FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal sectional view through an exemplary second embodiment of the free-piston linear generator according to the invention, with piston and counter-piston being shown at bottom dead center,
  • FIG. 5 shows the free-piston linear generator according to FIG. 4 with piston and counter-piston at top dead center
  • FIG. 6 shows a radial section view through the combustion chamber along the line VI-VI in FIG. 1
  • FIG. 7 shows a radial sectional view through the combustion chamber along the line VI-VI in FIG. 1 with an alternative gas guide.
  • FIG. 1 shows a free-piston linear generator which has an internal combustion engine in the form of a piston engine with variable stroke, via which electric energy is obtained by means of a linear generator.
  • the illustrated free piston linear generator is designed in the form of an opposed piston system.
  • FIG 1 the outer casing of the generator is omitted for the sake of clarity.
  • a cylinder 10 is provided in the interior of which a cylinder chamber 12 is formed.
  • a piston 14 and an opposing piston 14 ' which are not mechanically connected, added.
  • the pistons 14, 14 ' are respectively movable back and forth along a longitudinal axis A of the cylinder chamber and the generator and define therebetween a common combustion chamber 16, which forms a part of the cylinder chamber 12.
  • an imaginary radial plane R which is perpendicular to the longitudinal axis A, shown.
  • the generator to be seen in FIG. 1 is constructed essentially mirror-symmetrically with respect to the radial plane R, so that a left and a right half result, the structure of which is essentially identical.
  • the left and the right half differ slightly, which may have advantages. In the following, the left half will be explained for the sake of simplicity, the corresponding explanations apply to the right half.
  • an injection system which fuel in the
  • each piston 14, 14 ' is mechanically coaxially arranged to him, own return piston 18 is coupled, as well as runners 20, here in the form of plate-shaped runners.
  • the runners 20 include a plurality of juxtaposed or even a single permanent magnet 22, the or the overall have a plate-like shape or has.
  • the one or more permanent magnets may be arranged on a carrier plate 24. This carrier plate 24 is part of the rotor 20.
  • the return piston 18 is part of a rear part device 26 and is housed in the longitudinal direction in a cylindrical space in which it delimits a so-called recovery space 28. As a result, a gas spring is formed, which is provided for dividing the piston 14 back.
  • the two runners 20 are seen in the direction of the longitudinal axis A laterally of the longitudinal axis A and form a pair of runners, which lie relative to the longitudinal axis A to each other, preferably diametrically to the longitudinal axis A.
  • the runners 20 do not extend axially beyond an area bounded by radial planes in which the opposite end faces of the piston 14 and its return piston 18 are located (see FIG. 1). Incidentally, these end faces limit, on the one hand, the combustion space 16 and, on the other hand, the return space 28. Thus, the runners 20 and stators are laterally completely removed from the piston 14 and return piston 18 and do not increase the axial space, although they themselves have a considerable axial length.
  • connection system 30 comprises a cross-shaped coupling part 31, which is hinged to the associated piston 14, 14 ', its return piston 18 and the runners 20.
  • Figure 3 is a schematic sectional view is shown, the sectional plane in the region of the cylinder 10, the radial plane R and radially outside the cylinder 10 offset thereto, namely along a radial plane which intersects the two fasteners 32 of the coupling part on the runners 20 extends.
  • the fasteners 32 are diametrically opposite to the longitudinal axis A and in a radial plane.
  • FIG. 3 further shows that stators 34, 36 are provided for the in-plane plate-shaped runners 20, the stators 34 being upper stators and the stators 36 being lower stators. Between the respective pair of stators 34, 36 results in a slight gap 38, in the side or through it, the respective plate-shaped rotor 20 protrudes.
  • the stators 34, 36 are usually designed as induction coils, that is, windings. By a relative movement between the rotor 20 and the stators 34, 36, a voltage or a current is induced, so that a permanently excited synchronous machine is formed.
  • the rotor 20, the coil and the stators 34, 36 have / the permanent magnet (s).
  • each rotor 20 is mounted on the housing 41 independently of the attachment to the connection system 30 via at least one linear bearing 40 or a plurality of linear bearings.
  • the one or more linear bearings 40 are parallel to the longitudinal axis A.
  • an inlet channel 44 and an outlet channel 46 are provided in the wall of the cylinder 10.
  • This inlet channel 44 opens into the combustion chamber 16 via a plurality of inlet openings 48 when the cylinder 10 is positioned at bottom dead center (see FIG. 1) or near bottom dead center.
  • the inlet openings 48 are distributed on an annular surface close to or immediately adjacent to the combustion chamber 16 facing the end face of the piston 14 (see Figure 1). That is, these inlet openings 48 are open to the combustion chamber 16 when the piston 14 has reached the bottom dead center.
  • a plurality of outlet openings 50 are also distributed on an annular surface.
  • the outlet openings 50 adjoin the end face of the counter-piston 14 'facing the combustion chamber 16, preferably directly or are arranged in the vicinity thereof.
  • the outlet ports 50 are opened when the opposed piston 14 'is at bottom dead center (see FIG. 1).
  • the free piston linear generator is operated, as will be explained in more detail below, that when moving piston 14 and opposed piston 14 'from top dead center (FIG. 2) to bottom dead center (FIG. 1), the outlet openings are first opened before the inlet openings are uncovered.
  • all the inlet openings are assigned to the piston 14 and arranged at the bottom dead center, whereas all the outlet openings 50 are located opposite the piston 14 '. are assigned and are at the bottom dead center.
  • a first option is that the outlet openings 50 are closer to the axial center of the combustion chamber 16 than the inlet openings 48.
  • the axial center of the combustion chamber is referenced to the position of piston 14 and opposed piston 14 'in their top dead centers (FIG. in which the axial center is half the distance of the pistons 14, 14 '.
  • the axial center coincides, for example, with the symmetry plane designated as radial plane R in FIG.
  • both pistons 14, 14 ' learn about the same driving force and the same counterforce, for example, by the return devices 26 with their return piston 18, so both pistons 14, 14' move approximately equally fast from top dead center to bottom dead center.
  • the opposed piston 14 ' which otherwise covers the outlet openings 50, release them earlier, as Figure 1 shows, as the piston 14, the inlet openings 48 covers or releases.
  • a second option is that intake and exhaust ports begin equidistant from the axial center and, preferably, end equidistant from the axial center.
  • the pistons 14, 14 ' are in the top dead center position, that is, they are at most close together.
  • Fuel in the combustion chamber which is either injected or previously introduced via the inlet openings 48, is ignited via an igniter, so that the combustion chamber increases and the pistons 14, 14 'move away from one another.
  • the runners 20 are moved between their stators 34, 36, so that current is induced. Further, the return piston 18 to move so that the respective return chamber 28 is smaller and the gas therein is compressed. Shortly before reaching the respective bottom dead center, the outlet openings 50 from the counter-piston 14 'are first exposed so that exhaust gas can flow out. Subsequently, the inlet openings 48 are exposed by the piston 14 passing by, so that fresh gas or a gas-fuel mixture can flow into the combustion chamber 16. The incoming gas or fuel-gas mixture then pushes the combustion gases completely out of the combustion chamber 16. It is therefore a pure rinsing, without any proportion of a transverse or reverse purge.
  • the compressed gas in the respective return chamber 28 causes the respective return piston 18 is subjected to force and moves its piston 14, 14 'in the direction of top dead center.
  • the pistons 14, 14 'then close the inlet openings 48 and the outlet openings 50 again.
  • the return rooms 28 may also be connected to a gas storage via switchable valves in order to be able to adapt the gas volume to the movements of the return piston 18.
  • piston 14 of the movement of the counter-piston 14' at least to bottom dead center or even permanently runs behind at least a predetermined minimum value to reach its bottom dead center and thus the inlet openings 48 later, when the counter-piston 14 'has reached the outlet openings 50 and has exposed.
  • the last-mentioned variant can be accomplished, for example, by the electrical control 42, this is not restrictive.
  • the resistance which is opposed to the runners 20 and thus to the pistons 14, 14 'of the stators 34, 36 can be controlled or regulated when moving along their stators 34, 36. It is of course possible that only the piston 14, a resistance is opposed, whereas the opposed piston 14 'may proceed without an additional caused by the control 42 resistance.
  • the control of the desired non-synchronous course of the counter-piston to the piston can also take place when piston opposed piston start simultaneously from its top dead center.
  • a predetermined time interval of the movements of the pistons 14, 14 ' can be stored as a predetermined value, and the respective position and thus the movement of the piston 14, 14' is then permanently polled via corresponding sensors, and via the resistance of the stator 34, 36 is achieved that the respective piston runs behind the counter-piston with the desired time interval.
  • the predetermined distance may be, for example, a minimum distance and at the same time also a maximum distance, so that the opposing piston protrudes within a range of the piston.
  • the one or more preset limit values just explained are different over the entire stroke.
  • the opposed piston in an initial phase, may be moved as fast as or slightly faster than the piston, but later decelerated so that it more quickly reaches its bottom dead center and exhaust port than the piston bottom dead center and inlet port. The same can be done during the movement from bottom dead center to top dead center.
  • the two pistons do not move exactly in synchronism from top dead center.
  • a certain tolerance threshold must be specified within which one can speak of a synchronization or, more precisely, of an accepted and desired asynchronous process. As long as the two pistons do not move so differently that they are outside the tolerance threshold, the control does not intervene.
  • the piston or opposed piston When a desired asynchronous trace is to be realized, the piston or opposed piston, usually the piston, is opposed to increased resistance from its stator as compared to the resistance opposed to the opposed piston by its stator. Thus, the piston is slower than the opposed piston.
  • the piston or opposed piston For this unsynchronous movement is constantly checked whether the distance between the two pistons is in the desired target. Is there a deviation from this, eg due to small, permanently occurring disturbances, the control intervenes again and the piston and the Opposite pistons can be braked.
  • This procedure can also be used for the subsequent compression phase.
  • an increased resistance at the beginning of the movement from the bottom dead center can be counteracted to the opposing piston so that the opposing piston closes the at least one outlet opening before the piston closes the at least one inlet opening. This is also done by the controller 42.
  • the piston and the counter-piston can simultaneously start their movement from top dead center to the bottom dead center, however, according to an advantageous embodiment, they are permanently intended to run asynchronously, in that the counter-piston permanently leads the piston.
  • the counter-piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before bottom dead center, abbreviated UT, the opposing piston), the resistance is increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance counteracting the piston can first be increased and then lowered (before reaching the UT of the piston).
  • the piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before the BDC of the piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance which counteracts the counter-piston can first be increased and then lowered (before the UT of the counter-piston is reached).
  • the counter-piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (ie before top dead center, abbreviated OT, of the opposing piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance counteracting the piston can first be increased and then lowered (before reaching the TDC of the piston).
  • the piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before the TDC of the piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance which counteracts the counter-piston can first be increased and then lowered (before the TDC of the counter-piston is reached).
  • a further option or additional support as to how the pistons 14, 14 'can be moved differently in time is realized by the return part devices.
  • the self-adjusting resistors can be adjusted and changed by changing the amount of gas in the return chambers 28 via valves (inlet or outlet valves).
  • the resistance of the piston and the opposing piston is controlled differently by means of the variable return part device (here gas spring) via the control 42 in order to displace the piston and the opposed piston asymmetrically.
  • a valve in the cylinder chamber of the gas spring can be controlled by the controller 42 to regulate a gas supply or gas discharge from the cylinder chamber during operation.
  • the non-synchronous movement is also advantageous in order to close the at least one outlet opening in time before the at least one inlet opening.
  • the above explanations to the sequence of movements of pistons to opposed pistons are also applicable to the following embodiments and not limited to the previous embodiments. Of course, you can also create optimal combinations of all the above variants.
  • FIGS. 4 and 5 essentially corresponds to that according to FIGS. 1 to 3, wherein the groups of rotors / stators, here runners 20 and stators 34 arranged laterally next to the longitudinal axis A, do not lie laterally next to the movable unit of piston 14, 14 ', connecting system 30 and rear part device 26 are arranged, but spatially between the cylinder 10 together with pistons 14, 14' and the respective rear part device.
  • the stators 34 here comprise annular or disc-shaped permanent magnets 22, which are arranged next to each other and are moved within a stator 34 in the form of a toroidal coil. For reasons of clarity, the toroidal coil in FIG. 5 has been omitted.
  • the outlet openings 50 are exposed temporally in front of the inlet openings 48 when the pistons 14, 14 'are moved in the direction of the bottom dead center. This is achieved identically to the measures or combinations of measures described above with reference to FIGS. 1 to 3.
  • FIGS. 1, 2, 3 and 4 show, a plurality of inlet openings 48 and a plurality of outlet openings 50 are provided.
  • FIG. 6 illustrates in a cross section in the region of the inlet openings 48 how the channel guide can look in the interior of the cylinder 10.
  • the inlet channel 44 splits at a branch point 52, to which it is still performed as a singular channel, in several sub-channels.
  • two sub-channels are formed, which complement each other to form an annular space 54.
  • This annular space 54 surrounds the combustion chamber 16 completely. From the annular space 54 then branch off further sub-channels radially inwardly toward the combustion chamber 16 out.
  • sub-channels are executed in radial section view according to Figure 6 to a plane of symmetry S symmetrical to this pairwise.
  • the associated inlet channel ends 56, 58 and 60 form the ends of the sub-channels, which then terminate in the inlet openings 48.
  • a central sub-channel with an inlet channel end 62 is still provided, which lies on the axis of symmetry S.
  • the cross-section of the annular space 54 decreases with increasing distance from the branch point 52, namely continuously.
  • the inlet openings 48 may have a different cross-section with increasing distance from the branch point 52.
  • the length of the individual inlet openings 48 in the axial direction should be the same in each case.
  • inlet channel ends and the outlet channel ends are seen in side view and oblique to the longitudinal axis A in the region of the transition to the inlet openings 48 and outlet openings 50, obliquely inwards and obliquely to the axial one Center of the combustion chamber 16 out.
  • a direction is to be given to the inflowing gas or fuel gas mixture and to the exiting combustion gas, as a result of which rapid purging can be achieved.
  • the embodiment of Figure 7 corresponds to the following difference of Figure 6.
  • the annular space 54 does not extend circumferentially closed to the combustion chamber 16, but ends respectively at the inlet channel ends 60. Again, however, reduces the cross section of the not completely circumferentially closed annulus Also, the angles of flow in the paired opposing inlet channel ends 56, 58 and 60 relative to the channel portion in FIGS. 6 and 7 before the branching point 52 are different.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

The invention relates to a free-piston linear generator which is designed according to the opposed-piston principle, in which the inlet openings (48) are associated with a piston (14) and the outlet channels (46) are associated with the opposed piston (14') so that a purely longitudinal scavenging is produced. According to a corresponding method, the control of the movement of the pistons (14, 14') is configured in such a way that the piston (14') first releases the outlet openings (50).

Description

Freikolbenlineargenerator sowie Verfahren zum Steuern eines  Free-piston linear generator and method for controlling a
Freikolbenlineargenerators  Free-piston linear generator
Die Erfindung betrifft einen Freikolbenlineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie sowie ein Verfahren zum Steuern eines Freikolbenlineargenerators. The invention relates to a free piston linear generator for generating electrical energy and to a method for controlling a free piston linear generator.
Ein solcher Freikolbenlineargenerator kombiniert einen sogenannten Freikolbenmotor, also einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, und einen sogenannten elektrischen Lineargenerator zur Auskoppelung elektrischer Energie aus dem System miteinander. Ein Freikolbenmotor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Wärmekraftmaschine mit innerer oder äußerer Verbrennung unmittelbar mit einer Arbeitsmaschine zur Bereitstellung von pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Energie koppelt. Der Freikolben kann sich ohne kinematische Zwangsführung frei zwischen seinen Totpunkten bewegen. Es gibt Freikolbenlineargeneratoren, bei denen der Läufer als ringförmiger oder scheibenförmiger Magnet in direkter Verlängerung des Kolbens koaxial zur Längsachse positioniert ist und in einem ihn umgebenden ringförmigen Stator läuft. Such a free-piston linear generator combines a so-called free-piston engine, that is to say an internal combustion engine, and a so-called electric linear generator for decoupling electrical energy from the system with one another. A free-piston engine is characterized by the fact that it couples a heat engine with internal or external combustion directly with a working machine for the provision of pneumatic, hydraulic or electrical energy. The free piston can move freely between its dead centers without kinematic forced operation. There are free piston linear generators in which the rotor is positioned as an annular or disk-shaped magnet in direct extension of the piston coaxial with the longitudinal axis and in a surrounding annular stator runs.
Darüber hinaus gibt es jedoch auch ein anderes System von Läufern und Statoren, bei denen die Läufer und Statoren nicht koaxial zur Längsachse und in unmittelbarer Verlängerung des Kolbens liegen, sondern in Gruppen seitlich der Längsachse angeordnet sind. Sieht man also in Längsrichtung auf solche Systeme, so liegen Läufer-Statorengruppen links und rechts beziehungsweise oben oder unten (Raumrichtung ist nicht eingeschränkt) nebeneinander als Pakete. Die Erfindung betrifft einen Freikolbenlineargenerator beider Systeme. In addition, however, there is also another system of rotors and stators in which the rotors and stators are not coaxial with the longitudinal axis and in the immediate extension of the piston, but are arranged in groups laterally of the longitudinal axis. So if you look at such systems in the longitudinal direction, rotor-stator groups are left and right or up or down (spatial direction is not limited) side by side as packages. The invention relates to a free-piston linear generator of both systems.
Bei Freikolbenlineargeneratoren, die im Gegenkolbenprinzip aufgebaut sind, liegen ein Kolben und ein von ihm mechanisch getrennter Gegenkolben einander im Zylinderraum gegenüber und grenzen mit ihren Stirnseiten einen gemeinsamen Brennraum ab. Dieser Brennraum wird vergrößert, wenn Verbrennungsfluid im Brennraum verbrannt wird. Die Kolben bewegen sich auseinander und werden anschließend durch einen Rückfedermechanismus wieder zusammengeschoben. Im Brennraum müssen die Gas- und Brennstoffzufuhr sowie die Verbrennungsgasabfuhr gesteuert werden. Hierzu ist vorgesehen, dass in den Brennraum einander im Wesentlichen diametral gegenüberliegende Einlass- und Auslasskanäle münden. Die Einlass- und Auslasskanäle sind dann, wenn sich die Kolben im unteren Totpunkt befinden, offen. Im Bereich des unteren Totpunkts sind die Auslasskanäle deshalb offen, damit das Verbrennungsgas aus dem Brennraum ausströmen kann, wenn die Kolben nachfolgend aufeinander zu bewegt werden. Eine solche Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen nennt man Querspülung. In free-piston linear generators, which are constructed in the counter-piston principle, are a piston and a mechanically separated from him opposed piston opposite each other in the cylinder chamber and border with their front sides one common combustion chamber. This combustion chamber is enlarged when combustion fluid is burned in the combustion chamber. The pistons move apart and are then pushed together by a springback mechanism. In the combustion chamber, the gas and fuel supply and the combustion gas removal must be controlled. For this purpose, it is provided that open into the combustion chamber substantially diametrically opposed inlet and outlet channels. The inlet and outlet ports are open when the pistons are at bottom dead center. In the region of the bottom dead center, the outlet channels are therefore open so that the combustion gas can flow out of the combustion chamber when the pistons are subsequently moved toward one another. Such an arrangement of the inlet and outlet ports is called cross-scouring.
Die Erfindung schafft einen Freikolbenlineargenerator, der im Betrieb eine verbesserte Laufleistung zeigt. Dies wird durch einen Freikolbenlineargenerator zur Erzeugung elektrischerThe invention provides a free-piston linear generator which exhibits improved mileage during operation. This is achieved by a free-piston linear generator for generating electrical
Energie erreicht, der im Gegenkolbenprinzip aufgebaut ist, mit: einem Zylinderraum, der eine Längsachse hat, einem im Zylinderraum entlang der Längsachse beweglichen Kolben sowie einen im Zylinderraum entlang der Längsachse beweglichen, mechanisch vom Kolben separaten Gegenkolben, wobei Kolben und Gegenkolben mit ihren aufeinander zu gerichteten Stirnseiten innerhalb des Zylinderraums einen Brennraum abgrenzen, mehreren mit dem Kolben und dem Gegenkolben mechanisch gekoppelten Läufern und zugeordneten Statoren, in denen jeweils elektrische Energie bei Bewegung des zugeordneten Läufers erzeugbar ist, wobei zumindest ein Einlasskanal in den Brennraum mündet, über den Verbrennungsfluid und/oder Luft in den Brennraum eingeleitet wird, zumindest ein Auslasskanal vom Brennraum ausgeht, über den Verbrennungsgas aus dem Brennraum entweicht, der zumindest eine Einlasskanal oder, bei mehreren Einlasskanälen, alle Einlasskanäle im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens über eine bzw. mehrere Einlassöffnungen in den Brennraum münden, und der zumindest eine Auslasskanal oder, bei mehreren Auslasskanälen, alle Auslasskanäle im Bereich des unteren Totpunkts des Gegenkolbens in einer bzw. mehreren Auslassöffnungen von dem Brennraum ausgehen. Der erfindungsgemäße Freikolbenlineargenerator arbeitet ausschließlich nach dem Längsspülungsprinzip. Das bedeutet, es sind keine einander diametral gegenüberliegenden oder im Bereich eines gemeinsamen Ringabschnitts liegenden Einlass- und Auslassöffnungen vorgesehen, vielmehr sind die Einlassöffnungen dem Kolben zugeordnet und an dessen unterem Totpunkt angeordnet, wogegen die Auslassöffnungen im Bereich des unteren Totpunktes des Gegenkolbens liegen. Durch diese Längsspülung wird Gas vollständiger aus dem Brennraum entfernt. Aufgrund der Tatsache, dass ein Freikolbenlineargenerator einen variablen Hub hat, wurde diese Lösung bislang nicht angedacht. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die Lösung sehr praktikabel und vorteilhaft ist. Energy is achieved, which is constructed in the counter-piston principle, comprising: a cylinder chamber having a longitudinal axis, a cylinder in the cylinder space along the longitudinal axis movable piston and a cylinder in the longitudinal axis movable, mechanically separate piston from the piston, with piston and opposed piston with their towards each other directed end faces within the cylinder chamber delimit a combustion chamber, a plurality of mechanically co-located with the piston and the piston and associated stators, in each of which electrical energy can be generated upon movement of the associated rotor, wherein at least one inlet channel opens into the combustion chamber, via the combustion fluid and / or air is introduced into the combustion chamber, at least one outlet channel emanating from the combustion chamber, escaping via the combustion gas from the combustion chamber, the at least one inlet channel or, in the case of several inlet channels, all inlet channels in the region of the bottom dead center of the piston via an or , a plurality of inlet openings open into the combustion chamber, and the at least one outlet channel or, in the case of several outlet channels, all the outlet channels in the region of the bottom dead center of the opposing piston emanate from the combustion chamber in one or more outlet openings. The free-piston linear generator according to the invention works exclusively according to the longitudinal rinsing principle. This means that there are no diametrically opposed or located in the region of a common annular section inlet and outlet ports, rather, the inlet openings are associated with the piston and arranged at the bottom dead center, whereas the outlet openings are in the region of the bottom dead center of the counter-piston. This longitudinal purge gas is more completely removed from the combustion chamber. Due to the fact that a free-piston linear generator has a variable stroke, this solution has not been considered. However, experiments have shown that the solution is very practical and advantageous.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die zumindest eine Einlassöffnung und die zumindest eine Auslassöffnung im Betrieb in vorgegebenen Positionen vom Kolben bzw. Gegenkolben verschlossen sind. Der Kolben und der Gegenkolben sind folglich dazu da, die Fluidzufuhr bzw. den Fluidauslass zu steuern, sodass keine separaten Ventile zwingend notwendig sind. A variant of the invention provides that the at least one inlet opening and the at least one outlet opening are closed during operation in predetermined positions by the piston or counter-piston. The piston and the counter-piston are therefore there to control the fluid supply or the fluid outlet, so that no separate valves are absolutely necessary.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Bewegung von Kolben und Gegenkolben voneinander weg, das heißt in Richtung zum unteren Totpunkt, die zumindest eine Auslassöffnung oder, wenn mehrere vorhanden sind, vorzugsweise auch alle Auslassöffnungen zeitlich vor der zumindest einen oder sogar allen Auslassöffnungen geöffnet wird. Das bedeutet, der Abgasauslass erfolgt bereits im Hub in Richtung zum unteren Totpunkt, bevor die Frischgaszufuhr erfolgt, und nicht erst ab Erreichen des unteren Totpunkts. It is particularly advantageous if, during the movement of the piston and the opposing piston away from one another, ie towards the bottom dead center, the at least one outlet opening or, if several are present, preferably also all the outlet openings are opened in time before the at least one or even all outlet openings , This means that the exhaust gas outlet already takes place in the stroke in the direction of bottom dead center, before the fresh gas is supplied, and not only from reaching bottom dead center.
Durch die Längsspülung, insbesondere durch die Spülung mit einem zuerst geöffneten Auslass, verbessert sich der Spülgrad, und eine Kurzschlussspülung wird reduziert. The rinsing effect is improved by the longitudinal rinsing, in particular by the rinsing with a first opened outlet, and a short-circuit rinsing is reduced.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Auslassöffnung vor der Einlassöffnung zu öffnen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass die zumindest eine Auslassöffnung näher an der axialen Mitte des Brennraums, bezogen auf die oberen Totpunkte von Kolben und Gegenkolben, liegt als die zumindest eine Einlassöffnung. Die axiale Mitte wird bestimmt, wenn sich Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt befinden, das heißt, wenn sie maximal nah aneinander liegen. Der axiale Abstand zwischen Kolben und Gegenkolben wird halbiert. Daraus ergibt sich dann die axiale Mitte des Brennraums. Vorausgesetzt, dass Kolben und Gegenkolben nicht extrem unterschiedlich schnell zum unteren Totpunkt bewegt werden, erreicht der Gegenkolben zuerst die Auslassöffnung, fährt an ihr vorbei, sodass sie freiliegt und Abgas über sie ausströmen kann. Alternativ oder zusätzlich hierzu können sich Kolben und Gegenkolben synchron zur axialen Mitte des Brennraums bewegen. Das bedeutet, die Bewegung von Kolben und Gegenkolben ist identisch, der obere und/oder der untere Gegenkolben können ihre oberen bzw. unteren Totpunkte zu gleichen Zeitpunkten erreichen oder gleich schnell bewegt werden. Alternativ kann der Kolben asynchron zum Gegenkolben bewegt werden, zum Beispiel zumindest bei der Bewegung zum unteren Totpunkt hin dem Gegenkolben hinterherlaufen, das heißt, aufgrund der höheren Geschwindigkeit des Gegenkolbens erreicht dieser seinen unteren Totpunkt und die Auslassöffnung früher als der Kolben dessen Totpunkt und dessen Einlassöffnung. Bei dieser Variante können die (vorzugsweise alle) Auslass- und die (vorzugsweise alle) Einlassöffnungen gleichen axialen Abstand von der axialen Mitte haben. There are several ways to open the outlet opening in front of the inlet opening. One possibility is that the at least one outlet opening closer to the axial center of the combustion chamber, based on the top dead centers of the piston and the opposed piston, than the at least one inlet opening. The axial center is determined when the piston and the opposed piston are at top dead center, that is, when they are maximally close to each other. The axial distance between piston and piston is halved. This then results in the axial center of the combustion chamber. Provided that the piston and the opposed piston are not moved extremely rapidly to bottom dead center, the opposed piston first reaches the exhaust port, passes it, so that it is exposed and exhaust gas can flow out over it. Alternatively or additionally, piston and counter-piston can move synchronously to the axial center of the combustion chamber. This means that the movement of the piston and the counter-piston is identical; the upper and / or the lower counter-piston can reach their upper or lower dead centers at the same time or move at the same speed. Alternatively, the piston can be moved asynchronously to the counter-piston, for example following the counter-piston at least during the movement towards the bottom dead center, that is to say because of the higher speed of the counter-piston this reaches its bottom dead center and the outlet opening earlier than the piston its dead center and its inlet opening , In this variant, the (preferably all) outlet and (preferably all) inlet openings may be at the same axial distance from the axial center.
Diese unterschiedliche Geschwindigkeit der beiden Kolben kann durch eine elektrische Regelung für die Statoren erreicht werden. Der Begriff „Regelung" steht sowohl für eine Steuerung als auch eine Regelung, wobei letztere bevorzugt ist. Diese Regelung ändert den Widerstand, der dem zugeordneten Läufer bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators entgegengesetzt wird. Über diese Regelung wird dann die Bewegung von Kolben und Gegenkolben gesteuert oder geregelt. Die Regelung steuert oder regelt den Strom in den entsprechenden Spulen der Statoren, wodurch ein Bremsen des entsprechenden Kolbens durch geringeren zugelassenen Stromfluss durch die Spule erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Geschwindigkeit oder allgemeiner die Bewegung der Kolben über veränderbare oder von Haus aus unterschiedliche Gasfedern gesteuert/geregelt werden. Beispielsweise kann die Gasmenge im Rückstellraum veränderbar sein und/oder die Rückstellkolben können unterschiedliche Kolbendurchmesser besitzen. This different speed of the two pistons can be achieved by an electrical control for the stators. The term "control" stands for both control and regulation, the latter being preferred, this regulation changing the resistance that is opposed to the associated rotor when moving along its associated stator, which then controls the movement of the piston and the opposed piston The control regulates or regulates the current in the respective coils of the stators, whereby a braking of the corresponding piston is achieved by lower permitted current flow through the coil .. Alternatively or additionally, the speed or more generally the movement of the piston via variable or House made different Gas springs are controlled / regulated. For example, the amount of gas in the return chamber may be variable and / or the return piston may have different piston diameter.
Optional können die Querschnittsflächen des oder aller Einlassöffnungen identisch zu der Querschnittsfläche oder den Querschnittsflächen der oder aller Auslassöffnungen sein. Optionally, the cross-sectional areas of the or all inlet openings may be identical to the cross-sectional area or areas of the or each outlet opening.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die vorgenannte elektrische Regelung den Stator des Gegenkolbens derart ansteuern kann, dass dieser dem Gegenkolben einen anderen, insbesondere geringeren Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzt als der Stator des Kolbens dem Kolben entgegensetzt. A variant of the invention provides that the aforementioned electrical control can control the stator of the counter-piston such that it opposes the other piston, in particular lower resistance in the process along the stroke in the direction of bottom dead center as opposed to the piston of the piston.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Stator aufgrund der Regelung dem Gegenkolben während des Verfahrweges, also längs des Hubes, unterschiedliche Widerstände entgegensetzt. Beispielsweise kann der Widerstand zum unteren Totpunkt hin zunehmen. Alternatively or additionally, it is also possible that the stator opposes different resistances due to the control of the counter-piston during the travel, ie along the stroke. For example, the resistance may increase toward bottom dead center.
Ferner ist es auch möglich, den Widerstand von Kolben und Gegenkolben mittels einer variablen Rücksteilvorrichtung einzustellen, zum Beispiel einer einstellbaren Gasfeder. Solche variable Rücksteilvorrichtungen sind am Kolben und am Gegenkolben vorgesehen, die Kolben und Gegenkolben vom unteren zum oberen Totpunkt zurückstellen, wobei der Widerstand von Kolben und Gegenkolben mittels ihrer variablen Rücksteilvorrichtung über eine Regelung unterschiedlich einstellbar ist, um Kolben und Gegenkolben unsymmetrisch zu verfahren. Hierbei können die Kolben gleichzeitig vom oberen Totpunkt aus starten, und unterschiedliche abgebremst werden, sodass der Gegenkolben die zumindest eine Ausströmöffnung freilegt, bevor der Kolben die zumindest eine Einlassöffnung freilegt. Auch hier ist es möglich, alle Auslass- und Einlassöffnungen axial gleich weit entfernt von der axialen Mitte beginnen zu lassen. Furthermore, it is also possible to adjust the resistance of the piston and the opposed piston by means of a variable return device, for example an adjustable gas spring. Such variable return devices are provided on the piston and on the counter-piston, the piston and counter-piston reset from bottom to top dead center, wherein the resistance of the piston and the counter-piston by means of their variable return part device via a control is adjustable differently to move the piston and the opposed piston asymmetrically. In this case, the pistons can simultaneously start from top dead center and different brakes can be decelerated so that the counter-piston exposes the at least one outflow opening before the piston exposes the at least one inlet opening. Again, it is possible to let all the outlet and inlet openings start axially equidistant from the axial center.
Natürlich kann die Rücksteilvorrichtung mit den Statoren zusammenwirken, um die gewünschten unterschiedlichen, unsynchronen Bewegungen von Kolben und Gegenkolben zu realisieren. Of course, the rear part device can cooperate with the stators to realize the desired different, unsynchronous movements of the piston and the opposed piston.
Es können insbesondere Einlassöffnungen und/oder Auslassöffnungen mit unterschiedlichem Querschnitt vorgesehen sein. Diese unterschiedlichen Querschnitte der Einlassöffnungen und/oder unterschiedliche Querschnitte der Auslassöffnungen sind darin begründet, dass die Strömung gezielt in Teilströmungen aufgeteilt wird, aber die unterschiedlichen Öffnungen unterschiedlich weit vom noch nicht aufgezweigten Kanal entfernt liegen. Damit liegen unterschiedliche Strömungsdrücke und Gasmengen in den Teilkanälen vor. Beispielsweise kann mit zunehmendem Abstand vom noch nicht aufgezweigten Abschnitt des Einlasskanals oder Auslasskanals der Querschnitt der jeweiligen Einlassöffnung oder Auslassöffnung zunehmend geringer werden. Wie bereits angedeutet, kann sich der Einlasskanal zu den Einlassöffnungen hin in mehrere Teilkanäle aufspalten. Diese Teilkanäle führen dann zu den Einlassöffnungen. Der letzte Teil jedes Teilkanals, der dann mit der Einlassöffnung abschließt, ist das sogenannte Einlasskanalende. Dasselbe gilt für die Auslassöffnungen. Auch diese können Teilkanäle besitzen, die bei den Auslassöffnungen mit Auslasskanalenden, also dem ersten Stück des Teilkanals, beginnen. Die Teilkanäle gehen dann in einen gemeinsamen Auslasskanal über. In particular, inlet openings and / or outlet openings can be used be provided of different cross section. These different cross sections of the inlet openings and / or different cross sections of the outlet openings are based on the fact that the flow is split up into partial flows in a targeted manner, but the different openings are located at different distances from the not yet branched channel. This results in different flow pressures and gas quantities in the sub-channels. For example, as the distance from the not yet branched section of the inlet channel or outlet channel increases, the cross section of the respective inlet opening or outlet opening becomes increasingly smaller. As already indicated, the inlet channel can split into several subchannels towards the inlet openings. These sub-channels then lead to the inlet openings. The last part of each sub-channel, which then closes with the inlet opening, is the so-called inlet channel end. The same applies to the outlet openings. These may also have partial channels that begin at the outlet openings with outlet channel ends, ie the first piece of the sub-channel. The sub-channels then go into a common outlet channel.
Die Einlasskanalenden und/oder die Auslasskanalenden münden in unterschiedlichen Winkeln in den Brennraum bzw. gehen von unterschiedlichen Winkeln vom Brennraum aus. Diese Winkel werden in Radialschnittansicht zur Längsachse gemessen. Durch diese unterschiedlichen Winkel soll die Durchströmung des Brennraums optimiert werden. The inlet channel ends and / or the outlet channel ends open at different angles in the combustion chamber or go from different angles from the combustion chamber. These angles are measured in radial section view to the longitudinal axis. Due to these different angles, the flow through the combustion chamber should be optimized.
In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn diejenigen Einlasskanalenden, die von einer Abzweigstelle am Einlasskanal, an der sich dieser in Teilkanäle aufspaltet, maximal entfernt sind, einen größeren Winkel zu dem Einlasskanalabschnitt unmittelbar vor dieser Abzweigstelle verläuft als die Einlasskanalenden, die näher an der Abzweigstelle liegen. Die nahe an der Abzweigstelle liegenden Einlasskanalenden verlaufen üblicherweise im Wesentlichen parallel zueinander geradlinig in den Brennraum, wogegen die entfernt verlaufenden Einlasskanalenden aufeinander zu gerichtet in den Brennraum münden. In this context, it may be advantageous if those inlet channel ends which are maximally removed from a branching point at the inlet channel, where it splits into subchannels, are at a greater angle to the inlet channel section immediately before this branching point than the inlet channel ends which are closer to the inlet channel Branch point lie. The inlet channel ends lying close to the branching point usually extend in a straight line into the combustion chamber substantially parallel to one another, whereas the remotely extending inlet channel ends open towards the combustion chamber.
Im Radialschnitt gesehen können paarweise einander gegenüberliegende Einlassöffnungen vorhanden sein, die optional sogar so ausgeführt sind, dass die Einlassöffnungen symmetrisch zu einer Achse ausgerichtet sind. Konstruktiv lassen sich die unterschiedlichen Strömungen zu den Einlassöffnungen oder von den Auslassöffnungen dadurch leicht realisieren, dass ein vom Einlasskanal ausgehender umfangsmäßig geschlossener oder annähernd umfangsmäßig geschlossener Ringraum um den Brennraum herumführt und die Einlassöffnungen mit dem Ringraum strömungsverbunden sind. Dasselbe kann auch mit dem Auslasskanal vorgesehen sein. Seen in radial section, pairs of opposing inlet openings may be present, which are optionally even designed so that the inlet openings are aligned symmetrically to an axis. Constructively, the different flows to the inlet openings or from the outlet openings can be realized easily by virtue of the fact that a circumferentially closed or approximately circumferentially closed annular space extending from the inlet channel leads around the combustion chamber and the inlet openings are flow-connected to the annular space. The same can also be provided with the outlet channel.
Der Querschnitt des Ringraums lässt sich mit zunehmendem Abstand vom Einlasskanal verringern, insbesondere kontinuierlich. Da mit zunehmendem Abstand vom Einlasskanalabschnitt vor dem Ringraum auch weniger Gas zur Einströmung vorhanden ist, wird der Querschnitt des Ringraums der geringeren Gasmenge angepasst. The cross section of the annular space can be reduced with increasing distance from the inlet channel, in particular continuously. As with increasing distance from the inlet channel section in front of the annulus and less gas to inflow is present, the cross section of the annular space of the smaller amount of gas is adjusted.
Der Einlasskanal, die Einlasskanalenden, der Auslasskanal und/oder die Auslasskanalenden sollten in Seitenansicht gesehen im Bereich des Übergangs zu den Einlassöffnungen bzw. Auslassöffnungen schräg zur Längsachse verlaufen, beispielsweise schräg zur Mitte des Brennraums hin geneigt sein. Dadurch erhält das einströmende Gas eine Bewegungskomponente, die in Richtung zu den Ausströmöffnungen gerichtet ist, womit sich eine schnelle komplette Einströmung des Gases in den Brennraum erzielen lässt. Dasselbe gilt für das Ausströmen. Auch hier sollten möglichst wenig Umlenkungen in den Teilkanälen vorhanden sein. The inlet channel, the inlet channel ends, the outlet channel and / or the outlet channel ends should, seen in side view, extend obliquely to the longitudinal axis in the region of the transition to the inlet openings or outlet openings, for example inclined obliquely toward the center of the combustion chamber. As a result, the incoming gas receives a component of movement which is directed in the direction of the outflow openings, with which a rapid complete inflow of the gas into the combustion chamber can be achieved. The same applies to the outflow. Again, as few deflections should be present in the sub-channels.
Ferner kann eine Regelung vorhanden sein, die mit den Statoren gekoppelt ist und diese ansteuert, wobei die Regelung ausgebildet ist, um die Statoren derart anzusteuern, dass beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben voneinander weg und/oder aufeinander zu der Widerstand, der zumindest einem Läufer bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators vom Stator entgegengesetzt wird, verändert wird, sodass, von Kolben und Gegenkolben vom oberen Totpunkt ausgehend voneinander weg, der der zumindest einen Auslassöffnung zugeordnete Gegenkolben im Vergleich zu dem der zumindest einen Einlassöffnung zugeordneten Kolben anders verzögert wird, sodass Kolben und Gegenkolben unsynchron zu ihren unteren Totpunkten hin bewegt werden und die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung geöffnet wird und/oder sodass die Bewegungen von Kolben und Gegenkolben von ihren unteren Totpunkten ausgehend durch unterschiedliche Beaufschlagung der Statoren unterschiedlich erfolgen, sodass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. Further, there may be a controller coupled to and driving the stators, the controller being configured to drive the stators such that when moving the piston and the opposed piston away from each other and / or towards each other the resistance of the at least one rotor is changed when moving along its associated stator from the stator, is changed so that, starting from piston and piston from top dead center away from each other, the at least one outlet opening associated opposed piston is delayed differently compared to the at least one inlet port associated piston, so that piston and counter-piston are moved non-synchronously to their bottom dead centers and the at least one outlet opening is opened in time before the at least one inlet opening and / or so that the movements of the piston and the counter-piston starting from their bottom dead centers by different Actuation of the stators take place differently, so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
Im Stand der Technik ist es zwar bekannt, die Statoren dazu zu verwenden, die Bewegung von Kolben und Gegenkolben synchron zu gestalten, sobald ein unsynchroner Lauf ermittelt wird. Die Erfindung nutzt die Statoren in gegenteiliger Weise, denn Kolben und Gegenkolben sollen bewusst nicht synchron, sondern unsynchron laufen. Although it is known in the art to use the stators to synchronize the movement of the piston and the opposed piston as soon as an unsynchronized run is detected. The invention uses the stators in the opposite way, because pistons and opposed pistons are deliberately not synchronous, but run unsynchronized.
Der erfindungsgemäße Freikolbenlineargenerator kann eine Regelung und mit ihr verbundene Sensoren haben, mit denen die Bewegung von Kolben und Gegenkolben bestimmt wird, wobei in der Regelung ein vorbestimmter Wert abgelegt ist, um den der Gegenkolben dem Kolben wenigstens vorauseilt. Die Regelung ist programmiert, um die Statoren beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben, falls der Gegenkolben dem Kolben nicht um wenigstens den vorbestimmten Wert vorauseilt, unterschiedlich anzusteuern und um Kolben und Gegenkolben unterschiedliche Widerstände durch ihre zugeordneten Statoren entgegenzusetzen und Kolben und Gegenkolben weniger synchron zueinander bewegen zu lassen, sodass der Abstand des Gegenkolbens vom Kolben wieder größer wird. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zum Steuern desThe free-piston linear generator according to the invention can have a control and sensors connected to it, with which the movement of piston and counter-piston is determined, wherein in the control a predetermined value is stored by which the counter-piston at least leads the piston. The control is programmed to differently actuate the stators when moving the piston and the opposed piston, if the opposed piston does not precede the piston by at least the predetermined value, and to oppose the piston and the opposed piston with different resistances through their associated stators and move the piston and the opposed piston less synchronously with each other to let, so that the distance of the opposing piston from the piston is larger again. The invention also relates to a method for controlling the
Kolbens und/oder des Gegenkolbens eines Freikolbenlineargenerators nach der Erfindung zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip ausgebildet ist und eine elektrische Regelung für die Statoren hat. Das Verfahren ist durch folgenden Schritt gekennzeichnet: Ansteuern der Statoren beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben voneinander weg und/oder aufeinander zu derart, dass der Widerstand, der zumindest einem Läufer bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators vom Stator entgegengesetzt wird, verändert wird, sodass, bei Bewegung von Kolben und Gegenkolben vom oberen Totpunkt ausgehend voneinander weg, der der zumindest einen Auslassöffnung zugeordnete Gegenkolben im Vergleich zu dem der zumindest einen Einlassöffnung zugeordneten Kolben anders verzögert wird und Kolben und Gegenkolben unsynchron zu ihren unteren Totpunkten hin bewegt werden und die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung geöffnet wird und/oder die Bewegungen von Kolben und Gegenkolben von ihren unteren Totpunkten ausgehend durch unterschiedliche Beaufschlagung der Statoren unterschiedlich initiiert werden, sodass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. Piston and / or the counter-piston of a free-piston linear generator according to the invention for generating electrical energy, which is designed according to the counter-piston principle and has an electrical control for the stators. The method is characterized by the following step: driving the stators away and / or towards each other when moving the piston and the counter-piston such that the resistance, which is opposed to at least one rotor when moving along its associated stator from the stator, is changed so that Moving piston and opposed piston from top dead center starting away from each other, the at least one outlet opening associated opposed piston is differently delayed compared to the at least one inlet port associated piston and piston and opposed piston unsynchronized to their bottom dead centers are moved and the at least one Outlet opening is opened in time before the at least one inlet opening and / or the movements of the piston and the opposed piston are initiated differently from their bottom dead centers by different loading of the stators, so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern des Kolbens und/oder Gegenkolbens eines Freikolbenlineargenerators zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip ausgebildet ist und eine elektrische Regelung für die Statoren hat, wobei dieses Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: The invention further relates to a method for controlling the piston and / or counter-piston of a free-piston linear generator for generating electrical energy, which is designed according to the counter-piston principle and has an electrical control for the stators, this method being characterized by the following steps:
Ermitteln der Bewegungen vom Kolben und Gegenkolben, Determining the movements of the piston and piston,
Ermitteln, ob der Gegenkolben dem Kolben vorausläuft, und Determining whether the opposed piston precedes the piston, and
Ansteuern der Statoren beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben derart, falls der Gegenkolben dem Kolben stets nicht wenigstens einen vorbestimmten Wert vorauseilt, dass Kolben und Gegenkolben unterschiedliche Widerstände durch ihre zugeordneten Statoren entgegengesetzt werden, um Kolben und Gegenkolben weniger synchron zueinander bewegen zu lassen. Driving the stators when moving the piston and the opposite piston in such a way, if the piston does not always precedes the piston at least a predetermined value that piston and piston different resistors are opposed by their associated stators to move the piston and the opposite piston less synchronous to each other.
Die Statoren können so unterschiedlich angesteuert werden, dass, aufgrund der unterschiedlichen, dem Kolben und dem Gegenkolben entgegengesetzten Widerstände, der Gegenkolben die zumindest eine Auslassöffnung freilegt, bevor der Kolben die zumindest eine Einlassöffnung freilegt, und/oder so unterschiedlich angesteuert werden, dass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. Der Maximalabstand, um den der Gegenkolben dem Kolben vorauseilt, ist in der Regelung abgelegt. Statoren werden derart angesteuert, sobald der Maximalabstand überschritten wird, dass sich der Kolben dem Gegenkolben bis Unterschreitung des Maximalabstands nähert. The stators can be controlled differently so that, due to the different, the piston and the opposed piston opposing resistors, the counter-piston exposes the at least one outlet before the piston exposes the at least one inlet opening, and / or are driven so different that the at least an outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening. The maximum distance by which the opposing piston precedes the piston is stored in the control. Stators are controlled in such a way, as soon as the maximum distance is exceeded, that the piston approaches the counter-piston to below the maximum distance.
Die Regelung kann ferner einen Stator derart ansteuern, insbesondere aber alle Statoren derart ansteuern, dass der Stator oder die Statoren dem Gegenkolben einen unterschiedlichen Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzen, als der oder die dem Kolben zugeordneten Statoren dem Kolben bei dessen Bewegung in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzen. The control can furthermore control a stator in such a way, but in particular control all stators in such a way that the stator or the stators have a different resistance during the process along the Strokes towards the bottom dead center oppose, as opposed to the piston or the stators associated with the piston during its movement in the direction of bottom dead center.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können ebenfalls alle Einlassöffnungen und alle Auslassöffnungen gleich weit von der axialen Mitte entfernt sein. In the method according to the invention, all inlet openings and all outlet openings can likewise be equidistant from the axial center.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen: Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the following drawings, to which reference is made. In the drawings show:
Figur 1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine beispielhafte erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerators, wobei Kolben und Gegenkolben im unteren Totpunkt dargestellt sind, 1 shows a schematic longitudinal sectional view through an exemplary first embodiment of the free-piston linear generator according to the invention, wherein the piston and the counter-piston are shown at bottom dead center,
Figur 2 den Freikolbenlineargenerator nach Figur 1 mit Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt, FIG. 2 shows the free-piston linear generator according to FIG. 1 with piston and counter-piston at top dead center.
Figur 3 eine Schnittansicht in Form eines Radialschnitts durch den Freikolbenlineargenerator nach Figur 1 , FIG. 3 shows a sectional view in the form of a radial section through the free-piston linear generator according to FIG. 1,
Figur 4 eine schematische Längsschnittansicht durch eine beispielhafte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Freikolbenlineargenerators, wobei Kolben und Gegenkolben im unteren Totpunkt dargestellt sind, FIG. 4 shows a schematic longitudinal sectional view through an exemplary second embodiment of the free-piston linear generator according to the invention, with piston and counter-piston being shown at bottom dead center,
Figur 5 den Freikolbenlineargenerator nach Figur 4 mit Kolben und Gegenkolben im oberen Totpunkt, 5 shows the free-piston linear generator according to FIG. 4 with piston and counter-piston at top dead center, FIG.
Figur 6 eine Radialschnittansicht durch den Brennraum längs der Linie Vl-Vl in Figur 1 , und - Figur 7 eine Radialschnittansicht durch den Brennraum längs der Linie Vl-Vl in Fig. 1 mit einer alternativen Gasführung. FIG. 6 shows a radial section view through the combustion chamber along the line VI-VI in FIG. 1, and FIG. 7 shows a radial sectional view through the combustion chamber along the line VI-VI in FIG. 1 with an alternative gas guide.
In Figur 1 ist ein Freikolbenlineargenerator dargestellt, der einen Verbrennungsmotor in Form eines Kolbenmotors mit variablem Hub hat, über den mittels eines Lineargenerators elektrische Energie gewonnen wird. Der dargestellte Freikolbenlineargenerator ist in Form eines Gegenkolbensystems ausgeführt. FIG. 1 shows a free-piston linear generator which has an internal combustion engine in the form of a piston engine with variable stroke, via which electric energy is obtained by means of a linear generator. The illustrated free piston linear generator is designed in the form of an opposed piston system.
In Figur 1 ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit das Außengehäuse des Generators weggelassen. Im Inneren des Gehäuses ist ein Zylinder 10 vorhanden, in dessen Innerem ein Zylinderraum 12 ausgebildet ist. Im Zylinderraum 12 sind ein Kolben 14 und ein Gegenkolben 14', die nicht miteinander mechanisch verbunden sind, aufgenommen. Die Kolben 14, 14' sind entlang einer Längsachse A des Zylinderraums und des Generators jeweils hin- und herbeweglich und begrenzen zwischen sich einen gemeinsamen Brennraum 16, der einen Teil des Zylinderraums 12 darstellt. In Figure 1, the outer casing of the generator is omitted for the sake of clarity. Inside the housing, a cylinder 10 is provided in the interior of which a cylinder chamber 12 is formed. In the cylinder chamber 12, a piston 14 and an opposing piston 14 ', which are not mechanically connected, added. The pistons 14, 14 'are respectively movable back and forth along a longitudinal axis A of the cylinder chamber and the generator and define therebetween a common combustion chamber 16, which forms a part of the cylinder chamber 12.
Zwischen den Kolben 14, 14', vorzugsweise in der axialen Mitte zwischen den Kolben 14, ist eine gedachte Radialebene R, die senkrecht zur Längsachse A verläuft, dargestellt. Der in Figur 1 zu sehende Generator ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Radialebene R aufgebaut, sodass sich eine linke und eine rechte Hälfte ergeben, deren Aufbau im Wesentlichen identisch ist. Darüber hinaus gibt es aber auch Varianten, bei denen die linke und die rechte Hälfte etwas voneinander abweichen, was gegebenenfalls Vorteile haben kann. Im Folgenden wird zur Vereinfachung die linke Hälfte erklärt, für die rechte Hälfte gelten die entsprechenden Erläuterungen. Nicht dargestellt ist ein Einspritzsystem, welches Brennstoff in denBetween the pistons 14, 14 ', preferably in the axial center between the pistons 14, an imaginary radial plane R, which is perpendicular to the longitudinal axis A, shown. The generator to be seen in FIG. 1 is constructed essentially mirror-symmetrically with respect to the radial plane R, so that a left and a right half result, the structure of which is essentially identical. In addition, there are also variants in which the left and the right half differ slightly, which may have advantages. In the following, the left half will be explained for the sake of simplicity, the corresponding explanations apply to the right half. Not shown is an injection system, which fuel in the
Brennraum 16 einspritzen kann. Can inject combustion chamber 16.
Mit jedem Kolben 14, 14' ist mechanisch ein koaxial zu ihm angeordneter, eigener Rückstellkolben 18 gekoppelt, ebenso wie Läufer 20, hier in Form von plattenförmigen Läufern. Die Läufer 20 umfassen mehrere nebeneinander angeordnete oder auch nur einen Permanentmagneten 22, die beziehungsweise der insgesamt eine plattenformige Gestalt haben beziehungsweise hat. Der oder die Permanentmagneten können auf einer Trägerplatte 24 angeordnet sein. Diese Trägerplatte 24 ist Teil des Läufers 20. With each piston 14, 14 'is mechanically coaxially arranged to him, own return piston 18 is coupled, as well as runners 20, here in the form of plate-shaped runners. The runners 20 include a plurality of juxtaposed or even a single permanent magnet 22, the or the overall have a plate-like shape or has. The one or more permanent magnets may be arranged on a carrier plate 24. This carrier plate 24 is part of the rotor 20.
Der Rückstellkolben 18 ist Teil einer Rücksteilvorrichtung 26 und ist in Längsrichtung in einem zylindrischen Raum untergebracht, in welchem er einen sogenannten Rückstellraum 28 abgrenzt. Dadurch wird eine Gasfeder gebildet, die zum Rücksteilen des Kolbens 14 vorgesehen ist. Die Verbindung des Kolbens 14 mit dem Rückstellkolben 18 und den beiden Läufern 20 erfolgt über ein mechanisches Verbindungssystem 30. The return piston 18 is part of a rear part device 26 and is housed in the longitudinal direction in a cylindrical space in which it delimits a so-called recovery space 28. As a result, a gas spring is formed, which is provided for dividing the piston 14 back. The connection of the piston 14 with the return piston 18 and the two rotors 20 via a mechanical connection system 30th
Wie in Figur 1 zu sehen ist, liegen die beiden Läufer 20 in Richtung der Längsachse A gesehen seitlich der Längsachse A und bilden ein Paar von Läufern, die bezogen auf die Längsachse A einander gegenüberliegen, vorzugsweise diametral zur Längsachse A. As can be seen in Figure 1, the two runners 20 are seen in the direction of the longitudinal axis A laterally of the longitudinal axis A and form a pair of runners, which lie relative to the longitudinal axis A to each other, preferably diametrically to the longitudinal axis A.
Die Läufer 20 erstrecken sich axial nicht über einen Bereich hinaus, der durch Radialebenen begrenzt wird, in denen die entgegengesetzten Stirnseiten des Kolbens 14 und seines Rückstellkolbens 18 liegen (siehe Figur 1 ). Diese Stirnseiten begrenzen im Übrigen einerseits den Brennraum 16 und andererseits den Rückstellraum 28. Somit liegen die Läufer 20 und Statoren seitlich komplett entfernt vom Kolben 14 und Rückstellkolben 18 und erhöhen den axialen Bauraum nicht, obwohl sie selbst eine erhebliche axiale Länge aufweisen. The runners 20 do not extend axially beyond an area bounded by radial planes in which the opposite end faces of the piston 14 and its return piston 18 are located (see FIG. 1). Incidentally, these end faces limit, on the one hand, the combustion space 16 and, on the other hand, the return space 28. Thus, the runners 20 and stators are laterally completely removed from the piston 14 and return piston 18 and do not increase the axial space, although they themselves have a considerable axial length.
Das Verbindungssystem 30 umfasst ein kreuzförmiges Kopplungsteil 31 , welches gelenkig am zugeordneten Kolben 14, 14', seinem Rückstellkolben 18 sowie den Läufern 20 befestigt ist. The connection system 30 comprises a cross-shaped coupling part 31, which is hinged to the associated piston 14, 14 ', its return piston 18 and the runners 20.
In Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht dargestellt, deren Schnittebene im Bereich des Zylinders 10 die Radialebene R ist und radial außerhalb des Zylinders 10 versetzt hierzu liegt, nämlich längs einer Radialebene, die die beiden Befestigungen 32 des Kopplungsteils an den Läufern 20 schneidet, verläuft. In Figure 3 is a schematic sectional view is shown, the sectional plane in the region of the cylinder 10, the radial plane R and radially outside the cylinder 10 offset thereto, namely along a radial plane which intersects the two fasteners 32 of the coupling part on the runners 20 extends.
Die Befestigungen 32 liegen diametral gegenüberliegend zur Längsachse A und in einer Radialebene. The fasteners 32 are diametrically opposite to the longitudinal axis A and in a radial plane.
Figur 3 zeigt ferner, dass für die in einer Ebene liegenden plattenförmigen Läufer 20 jeweils Statoren 34, 36 vorgesehen sind, wobei die Statoren 34 obere und die Statoren 36 untere Statoren sind. Zwischen dem jeweiligen Paar von Statoren 34, 36 ergibt sich ein geringfügiger Zwischenraum 38, in den seitlich oder durch ihn hindurch der jeweilige plattenförmige Läufer 20 ragt. Die Statoren 34, 36 sind üblicherweise als Induktionsspulen, das heißt Wicklungen, ausgeführt. Durch eine relative Bewegung zwischen dem Läufer 20 und den Statoren 34, 36 wird eine Spannung beziehungsweise ein Strom induziert, sodass eine permanent erregte Synchronmaschine entsteht. Natürlich ist es ebenfalls denkbar, dass der Läufer 20 die Spule und die Statoren 34, 36 den/die Permanentmagneten aufweisen. FIG. 3 further shows that stators 34, 36 are provided for the in-plane plate-shaped runners 20, the stators 34 being upper stators and the stators 36 being lower stators. Between the respective pair of stators 34, 36 results in a slight gap 38, in the side or through it, the respective plate-shaped rotor 20 protrudes. The stators 34, 36 are usually designed as induction coils, that is, windings. By a relative movement between the rotor 20 and the stators 34, 36, a voltage or a current is induced, so that a permanently excited synchronous machine is formed. Of course it is also conceivable that the rotor 20, the coil and the stators 34, 36 have / the permanent magnet (s).
In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist jeder Läufer 20 unabhängig von der Anbringung am Verbindungssystem 30 über mindestens ein Linearlager 40 oder mehrere Linearlager am Gehäuse 41 gelagert. Das oder die Linearlager 40 verlaufen parallel zur Längsachse A. In the embodiment illustrated in FIG. 3, each rotor 20 is mounted on the housing 41 independently of the attachment to the connection system 30 via at least one linear bearing 40 or a plurality of linear bearings. The one or more linear bearings 40 are parallel to the longitudinal axis A.
Sämtliche Statoren sind mit einer elektrischen Regelung 42 verbunden. Entsprechende Leitungen sind nur angedeutet, um die Übersichtlichkeit zu verbessern. Zur Zuführung von Luft und/oder einem Gemisch aus brennbarem Fluid und Luft sind ein Einlasskanal 44 sowie ein Auslasskanal 46 in der Wand des Zylinders 10 vorgesehen. Dieser Einlasskanal 44 mündet über mehrere Einlassöffnungen 48 in den Brennraum 16, wenn der Zylinder 10 im unteren Totpunkt (siehe Figur 1 ) oder nahe dem unteren Totpunkt positioniert ist. Die Einlassöffnungen 48 liegen an einer Ringfläche verteilt nahe an oder unmittelbar angrenzend an der dem Brennraum 16 zugewandten Stirnseite des Kolbens 14 (siehe Figur 1 ). Das heißt, diese Einlassöffnungen 48 sind zum Brennraum 16 dann offen, wenn der Kolben 14 den unteren Totpunkt erreicht hat. All stators are connected to an electrical control 42. Corresponding lines are only hinted at to improve the clarity. For supplying air and / or a mixture of combustible fluid and air, an inlet channel 44 and an outlet channel 46 are provided in the wall of the cylinder 10. This inlet channel 44 opens into the combustion chamber 16 via a plurality of inlet openings 48 when the cylinder 10 is positioned at bottom dead center (see FIG. 1) or near bottom dead center. The inlet openings 48 are distributed on an annular surface close to or immediately adjacent to the combustion chamber 16 facing the end face of the piston 14 (see Figure 1). That is, these inlet openings 48 are open to the combustion chamber 16 when the piston 14 has reached the bottom dead center.
Am entgegengesetzten Ende des Brennraums 16, bezogen auf den unteren Totpunkt, sind mehrere Auslassöffnungen 50 ebenfalls auf einer Ringfläche verteilt angeordnet. Auch hier grenzen die Auslassöffnungen 50 an die dem Brennraum 16 zugewandte Stirnseite des Gegenkolbens 14' vorzugsweise unmittelbar an oder sind in deren Nähe angeordnet. Auf jeden Fall sind die Auslassöffnungen 50 geöffnet, wenn der Gegenkolben 14' im unteren Totpunkt ist (siehe Figur 1 ). At the opposite end of the combustion chamber 16, based on the bottom dead center, a plurality of outlet openings 50 are also distributed on an annular surface. Here, too, the outlet openings 50 adjoin the end face of the counter-piston 14 'facing the combustion chamber 16, preferably directly or are arranged in the vicinity thereof. In any event, the outlet ports 50 are opened when the opposed piston 14 'is at bottom dead center (see FIG. 1).
Der Freikolbenlineargenerator wird so betrieben, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, dass bei Bewegen von Kolben 14 und Gegenkolben 14' vom oberen Totpunkt (Figur 2) in den unteren Totpunkt (Figur 1 ) zuerst die Auslassöffnungen geöffnet werden, bevor die Einlassöffnungen freigelegt werden. Wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, sind sämtliche Einlassöffnungen dem Kolben 14 zugeordnet und an dessen unterem Totpunkt angeordnet, wogegen sämtliche Auslassöffnungen 50 dem Gegenkolben 14' zugeordnet sind und an dessen unterem Totpunkt liegen. The free piston linear generator is operated, as will be explained in more detail below, that when moving piston 14 and opposed piston 14 'from top dead center (FIG. 2) to bottom dead center (FIG. 1), the outlet openings are first opened before the inlet openings are uncovered. As can be seen in FIGS. 1 and 2, all the inlet openings are assigned to the piston 14 and arranged at the bottom dead center, whereas all the outlet openings 50 are located opposite the piston 14 '. are assigned and are at the bottom dead center.
Die Möglichkeiten, wie es sichergestellt werden kann, dass bei Verfahren der Kolben 14, 14' zum unteren Totpunkt zuerst die Auslassöffnungen 50 geöffnet werden, werden im Folgenden vorgestellt. Eine erste Option besteht darin, dass die Auslassöffnungen 50 näher an der axialen Mitte des Brennraums 16 liegen als die Einlassöffnungen 48. Die axiale Mitte des Brennraums wird auf die Position von Kolben 14 und Gegenkolben 14' in ihren oberen Totpunkten (Figur 2) bezogen, in denen die axiale Mitte die Hälfte des Abstands der Kolben 14, 14' ist. Die axiale Mitte fällt beispielsweise mit der in Figur 1 als Radialebene R bezeichneten Symmetrieebene zusammen. Wenn beide Kolben 14, 14' in etwa die gleiche Antriebskraft erfahren und auch die gleiche Gegenkraft beispielsweise durch die Rücksteilvorrichtungen 26 mit ihren Rückstellkolben 18, so bewegen sich beide Kolben 14, 14' in etwa gleich schnell vom oberen Totpunkt aus zum unteren Totpunkt. Somit kann dann der Gegenkolben 14', der ansonsten die Auslassöffnungen 50 abdeckt, diese früher freigeben, wie Figur 1 zeigt, als der Kolben 14 die Einlassöffnungen 48 abdeckt oder freigibt. The possibilities of how it can be ensured that first the outlet openings 50 are opened when the pistons 14, 14 'are moved to the bottom dead center are presented below. A first option is that the outlet openings 50 are closer to the axial center of the combustion chamber 16 than the inlet openings 48. The axial center of the combustion chamber is referenced to the position of piston 14 and opposed piston 14 'in their top dead centers (FIG. in which the axial center is half the distance of the pistons 14, 14 '. The axial center coincides, for example, with the symmetry plane designated as radial plane R in FIG. If both pistons 14, 14 'learn about the same driving force and the same counterforce, for example, by the return devices 26 with their return piston 18, so both pistons 14, 14' move approximately equally fast from top dead center to bottom dead center. Thus, then the opposed piston 14 ', which otherwise covers the outlet openings 50, release them earlier, as Figure 1 shows, as the piston 14, the inlet openings 48 covers or releases.
Eine zweite Option besteht darin, dass Einlass- und Auslassöffnungen gleich weit von der axialem Mitte entfernt beginnen und, vorzugsweise, auch gleich weit von der axialen Mitte enden. A second option is that intake and exhaust ports begin equidistant from the axial center and, preferably, end equidistant from the axial center.
Die Funktionsweise des dargestellten Freikolbenlineargenerators kann nun im Folgenden kurz anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben werden. The mode of operation of the illustrated free-piston linear generator can now be described briefly below with reference to FIGS. 1 to 3.
In Figur 2 befinden sich die Kolben 14, 14' in der oberen Totpunktstellung, das heißt, sie sind maximal nahe zusammen. Im Brennraum befindlicher Treibstoff, der entweder eingespritzt wird oder zuvor über die Einlassöffnungen 48 eingebracht worden ist, wird über einen Zünder gezündet, sodass sich der Brennraum vergrößert und die Kolben 14, 14' voneinander wegbewegen. In Figure 2, the pistons 14, 14 'are in the top dead center position, that is, they are at most close together. Fuel in the combustion chamber, which is either injected or previously introduced via the inlet openings 48, is ignited via an igniter, so that the combustion chamber increases and the pistons 14, 14 'move away from one another.
Über das jeweilige Verbindungssystem 30 werden die Läufer 20 zwischen ihren Statoren 34, 36 bewegt, sodass Strom induziert wird. Ferner bewegen sich die Rückstellkolben 18 so, dass der jeweilige Rückstellraum 28 kleiner wird und das darin befindliche Gas komprimiert wird. Kurz vor Erreichen des jeweils unteren Totpunkts werden zuerst die Auslassöffnungen 50 vom Gegenkolben 14' freigelegt, sodass Abgas ausströmen kann. Anschließend werden die Einlassöffnungen 48 vom daran vorbeigleitenden Kolben 14 freigelegt, sodass Frischgas oder ein Gas-Brennstoff-Gemisch in den Brennraum 16 einströmen kann. Das einströmende Gas oder Brennstoff-Gasgemisch drückt dann die Verbrennungsgase komplett aus dem Brennraum 16 heraus. Es handelt sich folglich um eine reine Längsspülung, ohne jeglichen Anteil einer Quer- oder Umkehrspülung. Via the respective connection system 30, the runners 20 are moved between their stators 34, 36, so that current is induced. Further, the return piston 18 to move so that the respective return chamber 28 is smaller and the gas therein is compressed. Shortly before reaching the respective bottom dead center, the outlet openings 50 from the counter-piston 14 'are first exposed so that exhaust gas can flow out. Subsequently, the inlet openings 48 are exposed by the piston 14 passing by, so that fresh gas or a gas-fuel mixture can flow into the combustion chamber 16. The incoming gas or fuel-gas mixture then pushes the combustion gases completely out of the combustion chamber 16. It is therefore a pure rinsing, without any proportion of a transverse or reverse purge.
Das komprimierte Gas im jeweiligen Rückstellraum 28 führt dazu, dass der jeweilige Rückstellkolben 18 kraftbeaufschlagt wird und seinen Kolben 14, 14' in Richtung zum oberen Totpunkt bewegt. Bei der Bewegung in Richtung oberer Totpunkt schließen die Kolben 14, 14' dann wieder die Einlassöffnungen 48 und die Auslassöffnungen 50. The compressed gas in the respective return chamber 28 causes the respective return piston 18 is subjected to force and moves its piston 14, 14 'in the direction of top dead center. When moving in the direction of top dead center, the pistons 14, 14 'then close the inlet openings 48 and the outlet openings 50 again.
Natürlich können die Rückstellräume 28 auch mit einem Gasspeicher über schaltbare Ventile verbunden sein, um das Gasvolumen den Bewegungen des Rückstellkolbens 18 anpassen zu können. Of course, the return rooms 28 may also be connected to a gas storage via switchable valves in order to be able to adapt the gas volume to the movements of the return piston 18.
Während bei der gerade beschriebenen Lösung sich Kolben und Gegenkolben 14 beziehungsweise 14' synchron von und zur axialen Mitte des Brennraums 16 bewegen, kann es alternativ vorteilhaft sein, wenn der Kolben 14 der Bewegung des Gegenkolbens 14' zumindest zum unteren Totpunkt hin oder sogar permanent um wenigstens einen vorbestimmten Minimalwert hinterherläuft, um seinen unteren Totpunkt und damit die Einlassöffnungen 48 später zu erreichen, als der Gegenkolben 14' die Auslassöffnungen 50 erreicht hat und freigelegt hat. Die letztgenannte Variante lässt sich beispielsweise, dies ist nicht einschränkend zu verstehen, durch die elektrische Regelung 42 bewerkstelligen. Über die Regelung 42 lässt sich der Widerstand, der den Läufern 20 und damit den Kolben 14, 14' von den Statoren 34, 36 entgegengesetzt wird, bei Bewegung längs ihrer Statoren 34, 36 steuern oder regeln. Dabei ist es natürlich möglich, dass nur dem Kolben 14 ein Widerstand entgegengesetzt wird, wogegen der Gegenkolben 14' ohne einen zusätzlichen, durch die Regelung 42 hervorgerufenen Widerstand verfahren darf. While in the solution just described piston and opposed piston 14 or 14 'move synchronously from and to the axial center of the combustion chamber 16, it may alternatively be advantageous if the piston 14 of the movement of the counter-piston 14' at least to bottom dead center or even permanently runs behind at least a predetermined minimum value to reach its bottom dead center and thus the inlet openings 48 later, when the counter-piston 14 'has reached the outlet openings 50 and has exposed. The last-mentioned variant can be accomplished, for example, by the electrical control 42, this is not restrictive. By means of the control unit 42, the resistance which is opposed to the runners 20 and thus to the pistons 14, 14 'of the stators 34, 36 can be controlled or regulated when moving along their stators 34, 36. It is of course possible that only the piston 14, a resistance is opposed, whereas the opposed piston 14 'may proceed without an additional caused by the control 42 resistance.
Natürlich kann der von der Regelung gewollt unsynchrone Lauf des Gegenkolbens zum Kolben auch dann erfolgen, wenn Kolbengegenkolben gleichzeitig von ihrem oberen Totpunkt aus starten. Beispielsweise kann ein vorgegebener zeitlicher Abstand der Bewegungen der Kolben 14, 14' als vorgegebener Wert hinterlegt sein, und über entsprechende Sensoren wird dann die jeweilige Stellung und damit die Bewegung des Kolbens 14, 14' permanent abgefragt, und über den Widerstand des Stators 34, 36 wird erreicht, dass der jeweilige Kolben dem Gegenkolben mit dem gewünschten zeitlichen Abstand hinterherläuft. Der vorgegebene Abstand kann beispielsweise ein Minimalabstand und zugleich auch ein Maximalabstand sein, sodass der Gegenkolben innerhalb eines Bereichs dem Kolben vorauseilt. Of course, the control of the desired non-synchronous course of the counter-piston to the piston can also take place when piston opposed piston start simultaneously from its top dead center. For example, a predetermined time interval of the movements of the pistons 14, 14 'can be stored as a predetermined value, and the respective position and thus the movement of the piston 14, 14' is then permanently polled via corresponding sensors, and via the resistance of the stator 34, 36 is achieved that the respective piston runs behind the counter-piston with the desired time interval. The predetermined distance may be, for example, a minimum distance and at the same time also a maximum distance, so that the opposing piston protrudes within a range of the piston.
Ferner ist es möglich, dass der oder die vorgegebenen, gerade erläuterten Grenzwerte über den gesamten Hub unterschiedlich sind. So kann es wünschenswert sein, dass der Kolben über einen Teil des Hubs relativ nahe an den Gegenkolben kommt, in anderen Teilen des Hubs jedoch den größeren Abstand vom Gegenkolben hat, was bewusst gewünscht ist. Furthermore, it is possible that the one or more preset limit values just explained are different over the entire stroke. Thus, it may be desirable for the piston to come relatively close to the opposed piston over part of the stroke, but in other parts of the stroke to have the greater distance from the opposed piston, which is deliberately desired.
Beispielsweise kann der Gegenkolben in einer Anfangsphase genauso schnell wie oder etwas schneller als der Kolben bewegt werden, aber später abgebremst werden, sodass er schneller seinen unteren Totpunkt und die Auslassöffnung erreicht als der Kolben seinen unteren Totpunkt und seine Einlassöffnung. Dasselbe kann bei der Bewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt erfolgen. In der Praxis bewegen sich die beiden Kolben nicht ganz exakt im Gleichlauf vom oberen Totpunkt aus. Es muss hier eine gewisse Toleranzschwelle vorgegeben werden, innerhalb der von einem Gleichlauf oder, genauer, von einem akzeptierten und gewünschten asynchronen Lauf gesprochen werden kann. Solange sich die beiden Kolben nicht so unterschiedlich bewegen, dass sie außerhalb der Toleranzschwelle liegen, greift die Regelung nicht ein. Wenn ein gewünschter asynchroner Verlauf realisiert werden soll, wird dem Kolben oder Gegenkolben, üblicherweise dem Kolben, ein erhöhter Widerstand von seinem Stator entgegengesetzt, verglichen mit dem Widerstand, der dem Gegenkolben von dessen Stator entgegengesetzt wird. Somit ist der Kolben langsamer als der Gegenkolben. Für diese unsynchrone Bewegung wird permanent überprüft, ob der Abstand der beiden Kolben im gewünschten Soll liegt. Gibt es eine Abweichung hiervon, z.B. aufgrund von kleinen, permanent auftretenden Störungen, wird von der Regelung erneut eingegriffen und der Kolben sowie der Gegenkolben können abgebremst werden. For example, in an initial phase, the opposed piston may be moved as fast as or slightly faster than the piston, but later decelerated so that it more quickly reaches its bottom dead center and exhaust port than the piston bottom dead center and inlet port. The same can be done during the movement from bottom dead center to top dead center. In practice, the two pistons do not move exactly in synchronism from top dead center. Here, a certain tolerance threshold must be specified within which one can speak of a synchronization or, more precisely, of an accepted and desired asynchronous process. As long as the two pistons do not move so differently that they are outside the tolerance threshold, the control does not intervene. When a desired asynchronous trace is to be realized, the piston or opposed piston, usually the piston, is opposed to increased resistance from its stator as compared to the resistance opposed to the opposed piston by its stator. Thus, the piston is slower than the opposed piston. For this unsynchronous movement is constantly checked whether the distance between the two pistons is in the desired target. Is there a deviation from this, eg due to small, permanently occurring disturbances, the control intervenes again and the piston and the Opposite pistons can be braked.
Dieses Verfahren kann auch für die anschließende Kompressionsphase genutzt werden. Bei der Bewegung von Kolben und Gegenkolben aufeinander zu kann dem Gegenkolben ein erhöhter Widerstand zu Beginn der Bewegung aus dem unteren Totpunkt heraus entgegengesetzt werden, sodass der Gegenkolben die zumindest eine Auslassöffnung schließt, bevor der Kolben die zumindest eine Einlassöffnung schließt. Auch dies erfolgt durch die Regelung 42. This procedure can also be used for the subsequent compression phase. During the movement of the piston and the opposing piston toward one another, an increased resistance at the beginning of the movement from the bottom dead center can be counteracted to the opposing piston so that the opposing piston closes the at least one outlet opening before the piston closes the at least one inlet opening. This is also done by the controller 42.
Zu betonen ist, dass Kolben und Gegenkolben gleichzeitig vom oberen Totpunkt aus ihre Bewegung zum unteren Totpunkt beginnen können, gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform jedoch permanent gewollt unsynchron laufen, indem der Gegenkolben dem Kolben permanent vorauseilt. It should be emphasized that the piston and the counter-piston can simultaneously start their movement from top dead center to the bottom dead center, however, according to an advantageous embodiment, they are permanently intended to run asynchronously, in that the counter-piston permanently leads the piston.
Im Folgenden werden einige konnte Beispiele hierfür erläutert. Below are some examples that could be explained.
Falls während der Bewegung der Kolben voneinander weg die Messung ergibt, dass der Vorsprung des Gegenkolbens gegenüber dem Kolben geringer ist als gewünscht, wird dem Gegenkolben zunächst ein geringerer Widerstand entgegengesetzt als dies in einem Betrieb ohne die genannte Soll-Ist- Abweichung der Fall wäre. Später wird während der Bewegung (d.h. vor dem unteren Totpunkt, abgekürzt UT, des Gegenkolbens) der Widerstand wieder erhöht. Alternativ zu diesen beiden Eingriffen kann auch der dem Kolben entgegenwirkende Widerstand zunächst erhöht und dann (vor Erreichen des UT des Kolbens) gesenkt werden. If during the movement of the piston away from each other the measurement shows that the projection of the piston opposite the piston is lower than desired, the counter-piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before bottom dead center, abbreviated UT, the opposing piston), the resistance is increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance counteracting the piston can first be increased and then lowered (before reaching the UT of the piston).
Falls während der Bewegung der Kolben voneinander weg die Messung ergibt, dass der Vorsprung des Gegenkolbens gegenüber dem Kolben größer ist als gewünscht, wird dem Kolben zunächst ein geringerer Widerstand entgegengesetzt als dies in einem Betrieb ohne die genannte Soll-Ist- Abweichung der Fall wäre. Später wird während der Bewegung (d.h. vor dem UT des Kolbens) der Widerstand dann wieder erhöht. Alternativ zu diesen beiden Eingriffen kann auch der dem Gegenkolben entgegenwirkende Widerstand zunächst erhöht und dann (vor Erreichen des UT des Gegenkolbens) gesenkt werden. If during the movement of the piston away from each other the measurement shows that the projection of the counter-piston relative to the piston is greater than desired, the piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before the BDC of the piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance which counteracts the counter-piston can first be increased and then lowered (before the UT of the counter-piston is reached).
Falls während der Bewegung der Kolben aufeinander zu die Messung ergibt, dass der Vorsprung des Gegenkolbens gegenüber dem Kolben geringer ist als gewünscht, wird dem Gegenkolben zunächst ein geringerer Widerstand entgegengesetzt als dies in einem Betrieb ohne die genannte Soll-Ist- Abweichung der Fall wäre. Später wird während der Bewegung (d.h. vor dem oberen Totpunkt, abgekürzt OT, des Gegenkolbens) der Widerstand dann wieder erhöht. Alternativ zu diesen beiden Eingriffen kann auch der dem Kolben entgegenwirkende Widerstand zunächst erhöht und dann (vor Erreichen des OT des Kolbens) gesenkt werden. If during the movement of the piston towards each other the measurement shows that the projection of the counter-piston relative to the piston is less than desired, the counter-piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (ie before top dead center, abbreviated OT, of the opposing piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance counteracting the piston can first be increased and then lowered (before reaching the TDC of the piston).
Falls während der Bewegung der Kolben aufeinander zu die Messung ergibt, dass der Vorsprung des Gegenkolbens gegenüber dem Kolben größer ist als gewünscht, wird dem Kolben zunächst ein geringerer Widerstand entgegengesetzt als dies in einem Betrieb ohne die genannte Soll-Ist- Abweichung der Fall wäre. Später wird während der Bewegung (d.h. vor dem OT des Kolbens) der Widerstand dann wieder erhöht. Alternativ zu diesen beiden Eingriffen kann auch der dem Gegenkolben entgegenwirkende Widerstand zunächst erhöht und dann (vor Erreichen des OT des Gegenkolbens) gesenkt werden. If during the movement of the piston towards each other the measurement shows that the projection of the counter-piston relative to the piston is greater than desired, the piston is initially opposed to a lower resistance than would be the case in an operation without said target-actual deviation. Later, during the movement (i.e., before the TDC of the piston), the resistance is then increased again. As an alternative to these two interventions, the resistance which counteracts the counter-piston can first be increased and then lowered (before the TDC of the counter-piston is reached).
Eine weitere Option oder zusätzliche Unterstützung, wie die Kolben 14, 14' zeitlich unterschiedlich bewegt werden können, wird durch die Rücksteilvorrichtungen realisierbar. Beispielsweise können über Ventile (Zulauf- oder Ablaufventile) die sich einstellenden Widerstände durch Veränderung der Gasmenge in den Rückstellräumen 28 eingestellt und verändert werden. Der Widerstand von Kolben und Gegenkolben wird mittels der variablen Rücksteilvorrichtung (hier Gasfeder) über die Regelung 42 unterschiedlich angesteuert, um Kolben und Gegenkolben unsymmetrisch zu verfahren. Hierzu kann ein Ventil im Zylinderraum der Gasfeder von der Regelung 42 angesteuert werden, um eine Gaszufuhr oder Gasabfuhr aus dem Zylinderraum während des Betriebs zu regeln. A further option or additional support as to how the pistons 14, 14 'can be moved differently in time is realized by the return part devices. For example, the self-adjusting resistors can be adjusted and changed by changing the amount of gas in the return chambers 28 via valves (inlet or outlet valves). The resistance of the piston and the opposing piston is controlled differently by means of the variable return part device (here gas spring) via the control 42 in order to displace the piston and the opposed piston asymmetrically. For this purpose, a valve in the cylinder chamber of the gas spring can be controlled by the controller 42 to regulate a gas supply or gas discharge from the cylinder chamber during operation.
Die unsynchrone Bewegung ist auch vorteilhaft, um die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung zu verschließen. Obige Erläuterungen zum Bewegungsablauf von Kolben zu Gegenkolben sind auch auf die nachfolgenden Ausführungsformen anwendbar und nicht auf die bisherigen Ausführungsformen beschränkt. Natürlich lassen sich auch aus sämtlichen oben genannten Varianten optimale Kombinationen erstellen. The non-synchronous movement is also advantageous in order to close the at least one outlet opening in time before the at least one inlet opening. The above explanations to the sequence of movements of pistons to opposed pistons are also applicable to the following embodiments and not limited to the previous embodiments. Of course, you can also create optimal combinations of all the above variants.
Die Ausführungsform nach den Figuren 4 und 5 entspricht im Wesentlichen der nach den Figuren 1 bis 3, wobei die seitlich neben der Längsachse A angeordneten Gruppen von Läufern/Statoren, hier Läufer 20 und Statoren 34, nicht seitlich neben der verfahrbaren Einheit aus Kolben 14, 14', Verbindungssystem 30 und Rücksteilvorrichtung 26 angeordnet sind, sondern räumlich zwischen dem Zylinder 10 samt Kolben 14, 14' und der jeweiligen Rücksteilvorrichtung. Die Statoren 34 umfassen hier ringförmige oder scheibenförmige Permanentmagneten 22, die nebeneinander angeordnet sind und innerhalb eines Stators 34 in Form einer Ringspule bewegt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Ringspule in Figur 5 weggelassen. The embodiment according to FIGS. 4 and 5 essentially corresponds to that according to FIGS. 1 to 3, wherein the groups of rotors / stators, here runners 20 and stators 34 arranged laterally next to the longitudinal axis A, do not lie laterally next to the movable unit of piston 14, 14 ', connecting system 30 and rear part device 26 are arranged, but spatially between the cylinder 10 together with pistons 14, 14' and the respective rear part device. The stators 34 here comprise annular or disc-shaped permanent magnets 22, which are arranged next to each other and are moved within a stator 34 in the form of a toroidal coil. For reasons of clarity, the toroidal coil in FIG. 5 has been omitted.
Auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 4 und 5 werden die Auslassöffnungen 50 zeitlich vor den Einlassöffnungen 48 bei Bewegen der Kolben 14, 14' in Richtung zum unteren Totpunkt freigelegt. Dies wird identisch mit den zuvor anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Maßnahmen oder Maßnahmenkombinationen erreicht. Also in the embodiment according to FIGS. 4 and 5, the outlet openings 50 are exposed temporally in front of the inlet openings 48 when the pistons 14, 14 'are moved in the direction of the bottom dead center. This is achieved identically to the measures or combinations of measures described above with reference to FIGS. 1 to 3.
Wie die Figuren 1 , 2, 3 und 4 zeigen, sind mehrere Einlassöffnungen 48 und mehrere Auslassöffnungen 50 vorgesehen. Figur 6 verdeutlicht in einem Querschnitt im Bereich der Einlassöffnungen 48, wie die Kanalführung im Inneren des Zylinders 10 aussehen kann. Der Einlasskanal 44 spaltet sich an einer Abzweigstelle 52, bis zu welcher er noch als singulärer Kanal geführt ist, in mehrere Teilkanäle auf. Zuerst werden zwei Teilkanäle gebildet, die sich zu einem Ringraum 54 ergänzen. Dieser Ringraum 54 umgibt den Brennraum 16 vollständig. Vom Ringraum 54 aus zweigen sich dann noch weitere Teilkanäle radial einwärts zum Brennraum 16 hin ab. Diese Teilkanäle sind in Radialschnittansicht gemäß Figur 6 zu einer Symmetrieebene S symmetrisch zu dieser paarweise ausgeführt. Die zugeordneten Einlasskanalenden 56, 58 und 60 bilden die Enden der Teilkanäle, die dann in den Einlassöffnungen 48 enden. Zudem ist noch ein zentraler Teilkanal mit einem Einlasskanalende 62 vorgesehen, der auf der Symmetrieachse S liegt. As FIGS. 1, 2, 3 and 4 show, a plurality of inlet openings 48 and a plurality of outlet openings 50 are provided. FIG. 6 illustrates in a cross section in the region of the inlet openings 48 how the channel guide can look in the interior of the cylinder 10. The inlet channel 44 splits at a branch point 52, to which it is still performed as a singular channel, in several sub-channels. First, two sub-channels are formed, which complement each other to form an annular space 54. This annular space 54 surrounds the combustion chamber 16 completely. From the annular space 54 then branch off further sub-channels radially inwardly toward the combustion chamber 16 out. These sub-channels are executed in radial section view according to Figure 6 to a plane of symmetry S symmetrical to this pairwise. The associated inlet channel ends 56, 58 and 60 form the ends of the sub-channels, which then terminate in the inlet openings 48. In addition, a central sub-channel with an inlet channel end 62 is still provided, which lies on the axis of symmetry S.
Wie in Figur 6 zu erkennen ist, nimmt der Querschnitt des Ringraums 54 mit zunehmendem Abstand von der Abzweigstelle 52 ab, und zwar kontinuierlich. Auch die Einlassöffnungen 48 können einen anderen Querschnitt mit zunehmendem Abstand vom Abzweigpunkt 52 besitzen. As can be seen in Figure 6, the cross-section of the annular space 54 decreases with increasing distance from the branch point 52, namely continuously. Also, the inlet openings 48 may have a different cross-section with increasing distance from the branch point 52.
Wie in Figur 6 jedoch zu sehen ist, ist vor allem der mit Pfeilen dargestellte Winkel der Strömung in den sich paarweise einander gegenüberliegenden Einlasskanalenden 56, 58 und 60 relativ zum Kanalabschnitt vor der Abzweigstelle 52 stark unterschiedlich. So strömt das Gas oder das Brennstoff- Gasgemisch mit zunehmendem Abstand des entsprechenden Einlasskanalendes 56 bis 60 von der Abzweigstelle 52 unter einem größeren Winkel gegenüber der Richtung des Einlasskanals 44 unmittelbar stromaufwärts der Abzweigstelle 52 und auch gegenüber der Symmetrieachse S ein. Mit diesen unterschiedlichen Strömungsrichtungen soll eine optimale Spülung erreicht werden. However, as can be seen in FIG. 6, above all, the angle of the flow represented by arrows in the pairwise opposed inlet channel ends 56, 58 and 60 relative to the channel section upstream of the branching point 52 is greatly different. Thus, as the distance of the corresponding inlet channel end 56-60 from the branch 52 increases, the gas or fuel gas mixture flows at a greater angle to the direction of the inlet channel 44 immediately upstream of the branch 52 and also opposite the axis of symmetry S. With these different flow directions optimal flushing should be achieved.
Die Länge der einzelnen Einlassöffnungen 48 in Axialrichtung sollte jeweils gleich sein. The length of the individual inlet openings 48 in the axial direction should be the same in each case.
In den Figuren 1 , 2, 3 und 4 ist auch zu sehen, dass die Einlasskanalenden und die Auslasskanalenden in Seitenansicht gesehen und im Bereich des Übergangs zu den Einlassöffnungen 48 und Auslassöffnungen 50 schräg zur Längsachse A verlaufen, und zwar schräg einwärts und schräg zur axialen Mitte des Brennraums 16 hin. Dadurch soll dem einströmenden Gas oder Brennstoff- Gasgemisch sowie dem austretenden Verbrennungsgas eine Richtung vorgegeben werden, wodurch eine schnelle Spülung erreicht werden kann. It can also be seen in FIGS. 1, 2, 3 and 4 that the inlet channel ends and the outlet channel ends are seen in side view and oblique to the longitudinal axis A in the region of the transition to the inlet openings 48 and outlet openings 50, obliquely inwards and obliquely to the axial one Center of the combustion chamber 16 out. As a result, a direction is to be given to the inflowing gas or fuel gas mixture and to the exiting combustion gas, as a result of which rapid purging can be achieved.
Die Ausführungsform nach Figur 7 entspricht bis auf folgenden Unterschied der nach Figur 6. Der Ringraum 54 erstreckt sich nicht umfangsmäßig geschlossen um den Brennraum 16, sondern endet jeweils an den Einlasskanalenden 60. Auch hier jedoch verringert sich der Querschnitt der den nicht ganz umfangsmäßig geschlossenen Ringraum 54 bildenden Teilkanäle mit zunehmendem Abstand von der Abzweigstelle 52. Auch die Winkel der Strömung in den sich paarweise einander gegenüberliegenden einlasskanalenden 56, 58 und 60 relativ zu dem in den Figuren 6 und 7 zu sehenden Kanalabschnitt vor der Abzweigstelle 52 ist unterschiedlich. The embodiment of Figure 7 corresponds to the following difference of Figure 6. The annular space 54 does not extend circumferentially closed to the combustion chamber 16, but ends respectively at the inlet channel ends 60. Again, however, reduces the cross section of the not completely circumferentially closed annulus Also, the angles of flow in the paired opposing inlet channel ends 56, 58 and 60 relative to the channel portion in FIGS. 6 and 7 before the branching point 52 are different.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Freikolbenlineargenerator zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip aufgebaut ist, mit: einem Zylinderraum (12), der eine Längsachse (A) hat, einem im Zylinderraum (12) entlang der Längsachse (A) beweglichen Kolben (14) sowie einen im Zylinderraum (12) entlang der Längsachse (A) beweglichen, mechanisch vom Kolben (14) separaten Gegenkolben (14'), wobei Kolben (14) und Gegenkolben (14') mit ihren aufeinander zu gerichteten Stirnseiten innerhalb des Zylinderraums (12) einen Brennraum (16) abgrenzen, mehreren mit dem Kolben (14) und dem Gegenkolben (14') mechanisch gekoppelten Läufern (20) und zugeordneten Statoren (34, 36), in denen jeweils elektrische Energie bei Bewegung des zugeordneten Läufers (20) erzeugbar ist, wobei zumindest ein Einlasskanal (44) in den Brennraum (16) mündet, über den Verbrennungsfluid und/oder Luft in den Brennraum (16) eingeleitet wird, zumindest ein Auslasskanal (46) vom Brennraum (16) ausgeht, über den Verbrennungsgas aus dem Brennraum (16) entweicht, der zumindest eine Einlasskanal (44) oder, bei mehreren Einlasskanälen, alle Einlasskanäle (44) im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens (14) über eine bzw. mehrere Einlassöffnungen (48) in den Brennraum (16) münden, und der zumindest eine Auslasskanal (46) oder, bei mehreren Auslasskanälen, alle Auslasskanäle (46) im Bereich des unteren Totpunkts des Gegenkolbens (14') in einer bzw. mehreren Auslassöffnungen (50) von dem Brennraum (16) ausgehen.  1 . Free-piston linear generator for generating electrical energy, which is constructed according to the counter-piston principle, comprising: a cylinder chamber (12) having a longitudinal axis (A), a piston (14) movable in the cylinder chamber (12) along the longitudinal axis (A) and one in the cylinder space (12) along the longitudinal axis (A) movable, mechanically separate from the piston (14) opposed piston (14 '), said piston (14) and opposed piston (14') with their facing each other end faces within the cylinder chamber (12) has a combustion chamber ( 16), a plurality of the piston (14) and the counter-piston (14 ') mechanically coupled to runners (20) and associated stators (34, 36), in each of which electrical energy upon movement of the associated rotor (20) can be generated, wherein at least one inlet channel (44) opens into the combustion chamber (16), is introduced via the combustion fluid and / or air into the combustion chamber (16), at least one outlet channel (46) emanating from the combustion chamber (16) via the combustion gas from the Combustion chamber (16) escapes, the at least one inlet channel (44) or, in the case of several inlet channels, all inlet channels (44) in the region of bottom dead center of the piston (14) via one or more inlet openings (48) into the combustion chamber (16) , and the at least one outlet channel (46) or, in the case of several outlet channels, all outlet channels (46) originate in the region of the bottom dead center of the counter-piston (14 ') in one or more outlet openings (50) from the combustion chamber (16).
2. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einlassöffnung (48) und die zumindest eine Auslassöffnung (50) im Betrieb in vorgegebenen Positionen vom Kolben (14) bzw. Gegenkolben (14') verschlossen sind, um die Fluidzufuhr bzw. den Fluidauslass zu steuern. 2. Free-piston linear generator according to claim 1, characterized in that the at least one inlet opening (48) and the at least one outlet opening (50) are closed during operation in predetermined positions by the piston (14) or counter-piston (14 ') in order to supply or supply the fluid to control the fluid outlet.
3. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 1 oder 2, der so ausgebildet ist, dass bei Bewegung von Kolben (14) und Gegenkolben (14') voneinander weg die zumindest eine Auslassöffnung (50) zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung (48) geöffnet wird. 3. free piston linear generator according to claim 1 or 2, which is designed so that when moving piston (14) and opposed piston (14 ') away from each other, the at least one outlet opening (50) in time before the at least one inlet opening (48) is opened.
4. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Auslassöffnung (50) näher an der axialen Mitte des Brennraums (16) bezogen auf die oberen Totpunkte von Kolben (14) und Gegenkolben (14') liegt als die zumindest eine Einlassöffnung (48) oder dass die zumindest eine Auslassöffnung (50) gleich weit von der axialen Mitte entfernt angeordnet ist wie die zumindest eine Einlassöffnung. 4. free piston linear generator according to claim 3, characterized in that the at least one outlet opening (50) closer to the axial center of the combustion chamber (16) relative to the top dead centers of the piston (14) and the opposite piston (14 ') than the at least one inlet opening (48) or that the at least one outlet opening (50) is arranged equidistant from the axial center as the at least one inlet opening.
5. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Kolben (14) zumindest bei der Bewegung zum unteren Totpunkt hin dem Gegenkolben (14') hinterherläuft, um seinen unteren Totpunkt später als der Gegenkolben (14') zu erreichen. 5. free piston linear generator according to claim 3 or 4, characterized in that that the piston (14) at least during the movement to the bottom dead center towards the counter-piston (14 ') runs behind to reach its bottom dead center later than the counter-piston (14').
6. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Regelung (42) für die Statoren (34, 36) vorhanden ist, die so ausgebildet ist, dass sie den Widerstand, der dem zugeordneten Läufer (20) bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators (34, 36) entgegengesetzt wird, steuern oder regeln kann, wobei über die elektrische Regelung (42) die Bewegung von Kolben (14) und Gegenkolben (14') gesteuert oder geregelt wird. A free-piston linear generator as claimed in claim 5, characterized in that there is electrical regulation (42) for the stators (34, 36) adapted to provide the resistance to the associated rotor (20) when moving along its associated one Stators (34, 36) is opposite, can control or regulate, via the electrical control (42), the movement of piston (14) and opposed piston (14 ') is controlled or regulated.
7. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (42) so ausgebildet ist, dass sie den Gegenkolben (14') seinen unteren Totpunkt früher erreichen lässt als den Kolben (14) dessen unteren Totpunkt. 7. free piston linear generator according to claim 6, characterized in that the control (42) is designed so that it allows the counter-piston (14 ') reaches its bottom dead center earlier than the piston (14) whose bottom dead center.
8. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Regelung (42) den dem Gegenkolben (14') zugeordneten, zumindest einen Stator (34, 36) derart ansteuert, dass er dem Gegenkolben (14') einen anderen Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzt als der zumindest eine Stator (34, 36) des Kolbens (14) dem Kolben (14) entgegensetzt. 8. free piston linear generator according to claim 6 or 7, wherein the control (42) the counter-piston (14 ') associated, at least one stator (34, 36) such that it the counter-piston (14') another resistance in the process along the Strokes towards the bottom dead center opposite than the at least one stator (34, 36) of the piston (14) opposes the piston (14).
9. Freikolbenlineargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable Rücksteilvorrichtung an Kolben und Gegenkolben vorgesehen ist, die Kolben und Gegenkolben vom unteren zum oberen Totpunkt zurückstellt, wobei der Widerstand von Kolben und Gegenkolben mittels zumindest einer der beiden variablen Rücksteilvorrichtungen über eine Regelung unterschiedlich einstellbar ist, um Kolben und Gegenkolben unsymmetrisch zu verfahren. 9. free piston linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that a variable return device to the piston and Opposing piston is provided which resets the piston and the counter-piston from the lower to the top dead center, wherein the resistance of the piston and the counter-piston by means of at least one of the two variable return devices via a control is adjustable differently to move the piston and the opposed piston asymmetrically.
10. Freikolbenlineargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Einlasskanal (44) mehrere Einlassöffnungen (48) ausgehen und/oder mehrere Auslassöffnungen (50) in den Auslasskanal (46) übergehen, insbesondere wobei Einlassöffnungen (48) und/oder Auslassöffnungen (50) mit unterschiedlichen Querschnitten vorgesehen sind. 10. free piston linear generator according to any one of the preceding claims, characterized in that the inlet channel (44) a plurality of inlet openings (48) go out and / or a plurality of outlet openings (50) in the outlet channel (46) merge, in particular wherein inlet openings (48) and / or outlet openings (50) are provided with different cross sections.
1 1 . Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (44) zu den Einlassöffnungen (48) hin mehrere Teilkanäle hat, die zu den Einlassöffnungen (48) führen, und jeder Teilkanal zumindest ein Einlasskanalende aufweist, das in einer Einlassöffnung (48) endet, und/oder dass von den Auslassöffnungen (50) ausgehende Auslasskanalenden Teilkanäle eines gemeinsamen Auslasskanals (46) haben, wobei die Einlasskanalenden und/oder die Auslasskanalenden in unterschiedlichen Winkeln, gesehen in Radialschnittansicht zur Längsachse (A), in den Brennraum (16) münden bzw. von ihm ausgehen. 1 1. The free-piston linear generator of claim 10, characterized in that the inlet channel (44) has a plurality of sub-channels toward the inlet openings (48) leading to the inlet openings (48), and each sub-channel has at least one inlet channel end terminating in an inlet opening (48) , and / or that outlet channel ends extending from the outlet openings (50) have partial channels of a common outlet channel (46), the inlet channel ends and / or the outlet channel ends opening into the combustion chamber (16) at different angles, as seen in radial section to the longitudinal axis (A) or go out from it.
12. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die von derjenigen Abzweigstelle (52) des Einlasskanals (44), an dem er sich in Teilkanäle aufzweigt, am weitesten entfernten Einlasskanalenden in einem größeren Winkel gegenüber demjenigen Kanalabschnitt, der unmittelbar stromaufwärts der Abzweigstelle (52) liegt, verlaufen als die der Abzweigstelle (52) nächsten Einlasskanalenden, insbesondere wobei der Winkel mit zunehmendem Abstand von der Abzweigstelle (52) zunimmt. A free-piston linear generator as claimed in claim 11, characterized in that the inlet channel ends farthest from the branching point (52) of the inlet duct (44) at which it divides into subchannels are at a greater angle to that duct section immediately upstream of the branching point (52) are located adjacent to the branching point (52) nearest inlet channel ends, in particular wherein the angle increases with increasing distance from the branching point (52).
13. Freikolbenlineargenerator nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Radialschnittansicht gesehen paarweise einander gegenüberliegende Einlassöffnungen (48) vorhanden sind, insbesondere wobei die Einlassöffnungen (48) symmetrisch zu einer Achse ausgerichtet sind. 13, free piston linear generator according to claim 1 1 or 12, characterized in that seen in radial section view in pairs opposing inlet openings (48) are present, in particular wherein the inlet openings (48) are aligned symmetrically to an axis.
14. Freikolbenlineargenerator nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Einlasskanal (44) ausgehender Ringraum (54) um den Brennraum (14) herumführt und die Einlassöffnungen (48) mit dem Ringraum (54) strömungsverbunden sind, insbesondere wobei der Querschnitt des Ringraums (54) sich mit zunehmendem Abstand vom Einlasskanal (44) verringert, vorzugsweise kontinuierlich. 14, free-piston linear generator according to any one of claims 10-13, characterized in that from the inlet channel (44) outgoing annular space (54) to the combustion chamber (14) and the inlet openings (48) with the annular space (54) are flow-connected, in particular wherein the cross-section of the annular space (54) decreases with increasing distance from the inlet channel (44), preferably continuously.
15. Freikolbenlineargenerator nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (44), die Einlasskanalenden, der Auslasskanal (46) und/oder die Auslasskanalenden in Seitenansicht gesehen und im Bereich des Übergangs zu den Einlassöffnungen (48) bzw. den Auslassöffnungen (50) schräg zur Längsachse (A) verlaufen, insbesondere schräg zur axialen Mitte des Brennraums (16) hin geneigt sind. 15. free piston linear generator according to any one of claims 10-14, characterized in that the inlet channel (44), the inlet channel ends, the outlet channel (46) and / or the outlet channel ends seen in side view and in the region of the transition to the inlet openings (48) and the outlet openings (50) extend obliquely to the longitudinal axis (A), in particular obliquely inclined to the axial center of the combustion chamber (16).
16. Freikolbenlineargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung (42) vorhanden ist, die mit den Statoren (34, 36) gekoppelt ist und diese ansteuert, wobei die Regelung ausgebildet ist, die Statoren (34, 36) derart anzusteuern, dass beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben voneinander weg und/oder aufeinander zu der Widerstand, der zumindest einem Läufer (20) bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators (34, 36) vom Stator (34, 36) entgegengesetzt wird, verändert wird, sodass, von Kolben (14) und Gegenkolben (14') vom oberen Totpunkt ausgehend voneinander weg, der der zumindest einen Auslassöffnung (50) zugeordnete Gegenkolben im Vergleich zu dem der zumindest einen Einlassöffnung zugeordneten Kolben anders verzögert wird, sodass Kolben und Gegenkolben unsynchron zu ihren unteren Totpunkten hin bewegt werden und die zumindest eine Auslassöffnung (50) zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung (48) geöffnet wird und/oder sodass die Bewegungen von Kolben und Gegenkolben von ihren unteren Totpunkten ausgehend durch unterschiedliche Beaufschlagung der Statoren unterschiedlich erfolgen, sodass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. 16, free piston linear generator according to one of the preceding claims, characterized in that a control (42) is provided which is coupled to the stators (34, 36) and these controls, wherein the control is formed, the stators (34, 36) such to control that when moving piston and counter-piston away from each other and / or to each other to the resistance, the at least one rotor (20) when moving along its associated stator (34, 36) is opposed by the stator (34, 36) is changed, such that, starting from the top dead center of the piston (14) and the opposing piston (14 '), the opposing piston assigned to the at least one outlet opening (50) is delayed differently than the piston assigned to the at least one inlet opening, so that the piston and the opposing piston are unsynchronized their bottom dead centers to be moved and the at least one outlet opening (50) is opened in time before the at least one inlet opening (48) and / or s or the movements of the piston and the counter-piston proceed differently from their bottom dead centers by different loading of the stators, so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
17. Freikolbenlineargenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung (42) und mit ihr verbundene Sensoren vorgesehen sind, mit denen die Bewegung von Kolben (14) und Gegenkolben (14') bestimmt wird, wobei in der Regelung (42) ein vorbestimmter Wert abgelegt ist, um den der Gegenkolben (14') dem Kolben (14) wenigstens vorauseilt, und dass die Regelung (42) programmiert ist, um die Statoren (34, 36) beim Bewegen von Kolben (14) und Gegenkolben (14'), falls der Gegenkolben dem Kolben nicht um wenigstens den vorbestimmten Wert vorauseilt, unterschiedlich anzusteuern und um Kolben und Gegenkolben unterschiedliche Widerstände durch ihre zugeordneten Statoren (34, 36) entgegenzusetzen und Kolben und Gegenkolben weniger synchron zueinander bewegen zu lassen. 17. free piston linear generator according to any one of the preceding claims, characterized in that a control (42) and associated sensors are provided, with which the movement of piston (14) and counter-piston (14 ') is determined, wherein in the control (42 ) a predetermined one Value by which the counter-piston (14 ') at least precedes the piston (14) and that the controller (42) is programmed to move the stators (34, 36) when moving the piston (14) and the counter-piston (14'). ), if the opposed piston does not precede the piston by at least the predetermined value, different to control and opposite piston and piston different resistances by their associated stators (34, 36) and to move the piston and the opposite piston less synchronous to each other.
18. Verfahren zum Steuern des Kolbens (14) und/oder Gegenkolbens (14') eines Freikolbenlineargenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip ausgebildet ist und eine elektrische Regelung für die Statoren (34, 36) hat, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: 18. A method for controlling the piston (14) and / or counter-piston (14 ') of a free-piston linear generator according to one of the preceding claims for generating electrical energy, which is designed according to the counter-piston principle and has an electrical control for the stators (34, 36), characterized by the following step:
Ansteuern der Statoren (34, 36) beim Bewegen von Kolben und Gegenkolben voneinander weg und/oder aufeinander zu derart, dass der Widerstand, der zumindest einem Läufer (20) bei Bewegung längs seines zugeordneten Stators (34, 36) vom Stator (34, 36) entgegengesetzt wird, verändert wird, sodass, bei Bewegung von Kolben (14) und Gegenkolben (14') vom oberen Totpunkt ausgehend voneinander weg, der der zumindest einen Auslassöffnung (50) zugeordnete Gegenkolben im Vergleich zu dem der zumindest einen Einlassöffnung zugeordneten Kolben anders verzögert wird und Kolben und Gegenkolben unsynchron zu ihren unteren Totpunkten hin bewegt werden und die zumindest eine Auslassöffnung (50) zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung (48) geöffnet wird und/oder die Bewegungen von Kolben und Gegenkolben von ihren unteren Totpunkten ausgehend durch unterschiedliche Beaufschlagung der Statoren unterschiedlich initiiert werden, sodass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. Driving the stators (34, 36) away from one another and / or towards each other during movement of the piston and the counter-piston such that the resistance of the at least one rotor (20) when moving along its associated stator (34, 36) from the stator (34, 36), so that when the piston (14) and the counter-piston (14 ') move away from top dead center, the opposed piston associated with the at least one outlet port (50) is changed compared to the piston associated with the at least one inlet port delayed differently and piston and opposed piston are moved non-synchronously to their bottom dead centers and the at least one outlet opening (50) temporally before the at least one inlet opening (48) is opened and / or the movements of the piston and the counter-piston from their bottom dead centers, starting by different Actuation of the stators are initiated differently, so that the at least one outlet opening in time before zumin least one inlet opening is closed.
19. Verfahren zum Steuern des Kolbens (14) und/oder Gegenkolbens (14') eines Freikolbenlineargenerators nach einem der Ansprüche 1 -17 zur Erzeugung elektrischer Energie, der nach dem Gegenkolbenprinzip ausgebildet ist und eine elektrische Regelung für die Statoren (34, 36) hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Ermitteln der Bewegungen vom Kolben (14) und Gegenkolben (14'), 19. A method for controlling the piston (14) and / or counter-piston (14 ') of a free-piston linear generator according to one of claims 1 to 17 for generating electrical energy, which is designed according to the counter-piston principle and an electrical control for the stators (34, 36). has, characterized by the following steps: Determining the movements of the piston (14) and counter-piston (14 '),
Ermitteln, ob der Gegenkolben (14') dem Kolben (14) vorausläuft, und Determining whether the counter-piston (14 ') precedes the piston (14), and
Ansteuern der Statoren (34, 36) beim Bewegen von Kolben (14) und Gegenkolben (14') derart, falls der Gegenkolben dem Kolben stets nicht wenigstens einen vorbestimmten Wert vorauseilt, dass Kolben und Gegenkolben unterschiedliche Widerstände durch ihre zugeordneten Statoren (34, 36) entgegengesetzt werden, um Kolben und Gegenkolben weniger synchron zueinander bewegen zu lassen. Driving the stators (34, 36) when moving the piston (14) and the counter-piston (14 ') in such a way, if the piston does not always precedes the piston at least a predetermined value, that the piston and the counter piston different resistances by their associated stators (34, 36 ) in order to make the piston and the counter-piston move less synchronously with each other.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoren (34, 36) so unterschiedlich angesteuert werden, dass, aufgrund der unterschiedlichen, dem Kolben und dem Gegenkolben entgegengesetzten Widerstände, der Gegenkolben die zumindest eine Auslassöffnung freigelegt, bevor der Kolben die zumindest eine Einlassöffnung freilegt und/oder so unterschiedlich angesteuert werden, dass die zumindest eine Auslassöffnung zeitlich vor der zumindest einen Einlassöffnung verschlossen wird. 20. The method according to claim 19, characterized in that the stators (34, 36) are driven so differently that, due to the different, the piston and the opposed piston opposing resistors, the counter-piston exposing the at least one outlet opening before the piston at least exposes an inlet opening and / or be controlled differently so that the at least one outlet opening is closed in time before the at least one inlet opening.
21 . Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximalabstand, um den der Gegenkolben dem Kolben vorauseilt, in der Regelung abgelegt ist und Statoren (34, 36) derart angesteuert werden, sobald der Maximalabstand überschritten wird, dass sich der Kolben dem Gegenkolben bis Unterschreitung des Maximalabstands nähert. 21. A method according to claim 19 or 20, characterized in that a maximum distance by which the piston precedes the piston, is stored in the control and stators (34, 36) are driven in such a way as soon as the maximum distance is exceeded, that the piston is the counter-piston approaches below the maximum distance approaches.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung zumindest einen Stator (34, 36) derart ansteuert, dass er dem Gegenkolben (14') einen unterschiedlichen Widerstand beim Verfahren längs des Hubes in Richtung zum unteren Totpunkt entgegensetzt als der oder die dem Kolben (14) zugeordneten Statoren (34, 36) dem Kolben (14) entgegensetzen. 22. The method according to any one of claims 18 to 21, characterized in that the control at least one stator (34, 36) controls such that it opposes the counter-piston (14 ') a different resistance in the process along the stroke in the direction of bottom dead center as the or the stators (34, 36) associated with the piston (14) oppose the piston (14).
PCT/EP2016/082613 2015-12-23 2016-12-23 Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator WO2017109207A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015122795.9 2015-12-23
DE102015122795.9A DE102015122795A1 (en) 2015-12-23 2015-12-23 Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017109207A1 true WO2017109207A1 (en) 2017-06-29

Family

ID=57737731

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/082613 WO2017109207A1 (en) 2015-12-23 2016-12-23 Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102015122795A1 (en)
WO (1) WO2017109207A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019201447A1 (en) * 2018-04-19 2019-10-24 Suisse Technology Group Sa Free piston engine generator and method for producing electric power

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5397922A (en) * 1993-07-02 1995-03-14 Paul; Marius A. Integrated thermo-electro engine
US20050274332A1 (en) * 2004-06-10 2005-12-15 Lemke James U Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine
US20090090334A1 (en) * 2007-10-09 2009-04-09 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Opposed piston electromagnetic engine
US20120125298A1 (en) * 2010-11-15 2012-05-24 Achates Power, Inc. Two stroke opposed-piston engines with compression release for engine braking
WO2015179117A1 (en) * 2014-05-21 2015-11-26 Achates Power, Inc. Open intake and exhaust chamber constructions for an air handling system of an opposed-piston engine

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE852620C (en) * 1949-08-19 1952-10-16 Hans Riess Valveless two-stroke internal combustion engine
DE3900800A1 (en) * 1989-01-13 1990-08-02 Elmar Klug Opposed-piston internal combustion engine
DE19503444C1 (en) * 1995-02-03 1996-05-15 Daimler Benz Ag Two=stroke opposed=piston engine
JP2006170071A (en) * 2004-12-15 2006-06-29 Denso Corp Control device and method for free-piston engine

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5397922A (en) * 1993-07-02 1995-03-14 Paul; Marius A. Integrated thermo-electro engine
US20050274332A1 (en) * 2004-06-10 2005-12-15 Lemke James U Two-cycle, opposed-piston internal combustion engine
US20090090334A1 (en) * 2007-10-09 2009-04-09 Searete Llc, A Limited Liability Corporation Of The State Of Delaware Opposed piston electromagnetic engine
US20120125298A1 (en) * 2010-11-15 2012-05-24 Achates Power, Inc. Two stroke opposed-piston engines with compression release for engine braking
WO2015179117A1 (en) * 2014-05-21 2015-11-26 Achates Power, Inc. Open intake and exhaust chamber constructions for an air handling system of an opposed-piston engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019201447A1 (en) * 2018-04-19 2019-10-24 Suisse Technology Group Sa Free piston engine generator and method for producing electric power

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015122795A1 (en) 2017-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2173988B1 (en) Free-piston device and method for controlling and/or regulating a free-piston device
DE102012219851B4 (en) Four-stroke engine
WO2003091556A1 (en) Free-piston device provided with an electric linear drive
DE102011000620B4 (en) Free piston device and method for operating a free piston device
EP0328602B1 (en) Device for introducing fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine
DE10242141A1 (en) Free-piston combustion device with electric linear drive
DE3903492A1 (en) EXHAUST SYSTEM FOR MULTI-CYLINDER COMBUSTION ENGINES AND METHOD FOR EXHAUST GAS CONTROL OF COMBUSTION ENGINES
EP1749146A1 (en) Camshaft adjuster
DE102008053069A1 (en) Free piston engine with variable stroke and method of operating a free piston engine
DE102015122794B4 (en) Free piston linear generator
EP3458682B1 (en) Free-piston device and method for operating a free-piston device
DE19714496B4 (en) Electromagnetic actuator for an internal combustion engine globe valve
WO2017109207A1 (en) Free-piston linear generator and method for controlling a free-piston linear generator
DE102008053068B4 (en) Variable stroke free piston engine, method of operating a free piston engine and use of orifices in a piston receiver
DE1098289B (en) Internal combustion engine with a swash plate drive
DE60022530T2 (en) DEVICE FOR CONTROLLING AT LEAST ONE MOTOR VALVE IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
DE4115289C2 (en)
EP1451919A1 (en) Linear generator with a swinging piston
DE102007020337A1 (en) Rotary piston engine with circulating piston has sliding element movable reciprocally in and out of annular chamber to divide chamber into separated regions, adjacent inlet(s) and outlet(s), source(s) of force medium connected to inlet(s)
DE102016005538B3 (en) Two-stroke internal combustion engine
WO2012004184A1 (en) Free piston device and method for charge exchange in a free piston engine
DE102020109743A1 (en) Method for operating a free-piston linear generator and a free-piston linear generator
DE102013106792B4 (en) Free piston device and method for operating a free piston device
DE4023307A1 (en) FUEL INJECTION DEVICE FOR FOREIGN IGNITION COMBUSTION ENGINES
DE2617047A1 (en) PISTON ENGINE WITH COMBUSTION OF FINE PARTICULAR, SOLID FUEL

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16822469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16822469

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1