WO2003091556A1 - Free-piston device provided with an electric linear drive - Google Patents

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WO2003091556A1
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piston
piston device
free
free piston
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Markus GRÄF
Martin Nedele
Jürgen Gräf
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a free piston device with an electric linear drive, comprising at least one piston receptacle with at least one piston device arranged to be linearly movable in the piston receptacle, the piston device comprising a rotor device and a stator device being arranged on the piston receptacle, and the at least one piston device under the action of Medium, which is expanding in an expansion space, can be driven.
  • Such a device is known for example from DE 22 17 194 C3.
  • chemical energy can be partly converted into mechanical energy via combustion, namely kinetic energy of a piston device, and this mechanical energy can then in turn be at least partly converted into electrical energy via the linear drive.
  • the piston movement as a free piston movement, pure linear mobility of the pistons can be achieved without the need for a crankshaft.
  • Corresponding devices can be used, for example, as part of hybrid drives for motor vehicles and in particular in connection with serial hybrid concepts. They can also be used as a compact power generation unit to generate electricity or in connection with stationary applications such as combined heat and power plants.
  • the object of the invention is to create a free-piston device with an electric linear drive of the type mentioned at the outset, which can be used universally.
  • variable piston stroke can be achieved; namely, the reversal points of the movement of a compressor piston of the piston device can be set in a targeted manner. This means that the device can be operated optimally in any load range.
  • the linear drive can then also support the commissioning of the device, for example by controlling the initial compression via the linear drive.
  • the desired form of movement of the piston device can be set in a targeted manner via a control of the linear drive; the desired reversal point, the piston speed and the compression can each be set, so that improved part-load efficiency can be achieved, especially in part-load operation, since no throttle valve is necessary.
  • the operating point of the device can thus be precisely determined by specifically specifying currents in the stator device.
  • an expansion chamber such as a combustion chamber can then be optimally adapted to the application, that is to say in particular the volume and the surface of the expansion chamber adapt specifically.
  • a specific fuel such as vegetable oil or diesel (diesel principle) or normal or super gasoline (Otto principle) or hydrogen or natural gas
  • a piston receptacle can have a constant inner diameter or a varying diameter and can, for example, be graduated.
  • piston receptacles can be provided, whereby piston receptacles can be arranged in a packet-like or V-shaped manner.
  • the expansion space can thus be a combustion space in which fuel combustion takes place and expanding fuel gases are generated in the process. It is also possible that the expansion space is a combustion chamber, in the fuel gases are coupled in, which expand in the combustion chamber. Furthermore, it is possible to couple a heat transfer medium such as steam into the expansion space, this heat transfer medium being generated externally or to which energy is supplied externally. This heat transfer medium then expands in the expansion space and causes a piston movement.
  • a heat transfer medium such as steam into the expansion space, this heat transfer medium being generated externally or to which energy is supplied externally. This heat transfer medium then expands in the expansion space and causes a piston movement.
  • the dead centers can be defined locally with respect to the piston receptacle, so that the compression of the system can be determined via a corresponding setting. It is then also advantageous if the dead centers for the movement of the piston device can be defined in time. This in turn also allows a movement of the at least one piston device to be set which has a constant period. This makes it possible, for example, to use pressure wave superchargers for a combustion chamber as an expansion chamber.
  • the movement of the piston device can be variably adjusted so that the location of the piston device can be defined at any time.
  • the piston speed is particularly adjustable. In this way, given appropriate specifications for the forms of movement of the at least one piston device, an optimal adaptation to the respective operating parameters of the device can be achieved via the linear drive, these operating parameters being determined in particular by the fuel used, by the load condition and further parameters.
  • the top dead center and bottom dead center of the piston stroke of the piston device can be defined in order to be able to produce an optimal adaptation.
  • the piston device delimits an expansion space at a first end and a space which is not an expansion space at an opposite end. This makes it possible to variably adjust the device by controlling the piston stroke.
  • the compression in the expansion space can be adjusted via the linear drive in order to optimize the system.
  • an operating point of the system can be set variably.
  • the expansion space can then be adjusted, particularly with regard to volume and surface, in order to be able to produce the corresponding adaptation.
  • a control and / or regulating device is advantageously provided, by means of which the linear drive can be controlled electrically in such a way that a variable piston stroke can be set.
  • This setting can be achieved in particular by controlling the current flow in the stator device.
  • the linear drive then also acts as a linear motor, via which the piston stroke and thus the reversal points or dead centers (TDC and TDC) of the piston movement can be set.
  • each one can be assigned its own control and / or regulating device, or such a control and / or regulating device can control or regulate several piston devices. It is very particularly advantageous if a piston device comprises a first piston and an opposing second piston fixedly connected to it, the first piston delimiting the assigned expansion space.
  • the first piston is the actual compressor piston, on which the expanding medium, such as expanding fuel gases, acts in order to move the piston device.
  • the first piston is supported by the second piston.
  • transverse forces are minimized, that is to say the piston device is prevented from tilting.
  • This ensures a defined, highly precise linear movement.
  • the effort with regard to the lubrication between the piston and the inner wall of the cylinder can be kept low, since, due to the support of the compressor piston by the other piston in the pair of pistons, short piston shirts can be realized with a correspondingly reduced friction surface and then no oil pump has to be provided, but instead, for example, simple splash lubrication is sufficient.
  • other materials such as ceramic materials or graphite for the pistons themselves, in addition to metallic materials, since a highly precise guidance can be formed with minimized friction losses, wherein only essentially pure pressure loads occur.
  • the concept according to the invention also makes it possible to dispense with the use of a cylinder head gasket, since the piston holder can be produced in one piece at least in the region of an expansion space.
  • a rotor device is arranged between the first piston and the second piston, which generates, for example, a magnetic field which is generated by a Relative movement relative to the stator device leads to a voltage induction, which in turn can then be tapped at the device.
  • the rotor device and the stator device form the linear drive, which converts the kinetic energy of the piston device into electrical energy or conversely converts electrical energy into kinetic energy.
  • non-expansion space for a piston device is designed as a spring-back space.
  • Mechanical energy that is not decoupled from the linear drive can be absorbed via such a spring-back space during the combustion work cycle.
  • the correspondingly stored energy can be used, for example, in a 2-cycle operation to compress a fuel-air mixture or in a 4-cycle operation to expel the exhaust gases.
  • a compressible element and / or medium is accommodated in the resilience space, which accordingly absorbs the mechanical energy and then releases it again.
  • the compressible element can be a mechanical element and in particular a compression spring.
  • the compressible medium is a compressible fluid such as air. If it is then provided that the pressure in the resilience space can be adjusted and / or controlled and / or regulated, then the "elastic" properties of this medium can be set. In addition, a pump effect can then be achieved, for example with respect to the piston device, by controlling the pressure in the spring-back space in order to control and / or regulate the overflow of air. The air drawn in can then be pumped into the combustion chamber in a controlled manner.
  • the pressure in the resilience space can be controlled and / or regulated so that a precompression function can be achieved via it. This increases the performance of the system, since pre-compression can take place.
  • a pump function, compression function or suction function can be implemented via a controllable / adjustable spring-back space. These respective functions can be used to control or regulate combustion processes. However, they can also be used for external purposes, for example to assist braking force when the device is used in a motor vehicle.
  • the spring-back space is provided with at least one controllable inlet valve and at least one controllable outlet valve for the compressible medium.
  • the valves are switched so that compression is possible with regard to the springback effect.
  • a first piston device and a second piston device are provided, which are arranged to be linearly movable, the piston devices each comprising and on a rotor device a stator device assigned to the respective rotor device is arranged in the piston receptacle.
  • the piston devices are mutually oppositely movable. In this way, a mass balance can be carried out during the movement of the piston devices, so that the mechanical stability of the device can be optimized.
  • each piston device is assigned its own expansion space in order to be able to drive both piston devices using expanding medium such as combustion gases.
  • combustion chamber is formed between a piston in the respective piston device, which is facing away from the other piston device, and a piston receptacle facing the piston.
  • variable piston stroke as described above, can be set for both piston devices.
  • a further expansion space and in particular a combustion space is arranged between the two piston devices, this further expansion space being able to be operated in particular synchronously with the two outer expansion spaces (synchronous here essentially means push-pull). In this way, an increase in performance can be achieved.
  • valve or valves for the gas exchange in an expansion space can be controlled and / or regulated and in particular electrically controlled via a control and / or regulating device and / or are adjustable.
  • This enables an individual adjustment of all control times of the gas exchange, which significantly influence combustion properties, for example.
  • This control or regulation which can be carried out in particular via predefined software settings, then makes it possible to set an optimal operating point of the overall system even in the case of variable applications.
  • inlet valves and / or outlet valves for an expansion space are arranged and designed such that a gas flow (inlet flow and / or outlet flow) can be formed essentially along an expansion chamber wall.
  • a gas flow inlet flow and / or outlet flow
  • reverse flushing can be implemented, in particular in 2-cycle operation, which makes the provision of inlet slots and outlet slots unnecessary. This in turn improves the exhaust gas quality and oil losses are minimized.
  • Power injection systems can also be used, and in particular direct injection systems for introducing fuel into the combustion chamber or combustion chambers.
  • a charger is provided in order to control the gas exchange in an expansion space or the expansion spaces.
  • the gas exchange can then be controlled with little energy expenditure.
  • the charger is a pressure wave charger or a Comprex charger, which can be operated with low power. In this way, pre-compression of the intake air can be achieved. Since the invention If the linear movement of the at least one piston device can be controlled in such a way that there is a constant period of oscillation of the piston movement at all possible operating points, a pressure wave charger can be used, which is dependent on constant periods with a small period spread.
  • the charger is connected to one or more expansion spaces for the respective piston devices in order to be able to carry out a correspondingly synchronized gas change with respect to the expansion spaces.
  • the piston devices are lubricated by splash lubrication.
  • windings of the stator device are used as heating elements, so that no increased design effort is required for this.
  • the rotor device comprises a plurality of magnetic elements, to which one or more flux guiding elements are assigned and in particular between which a flux guiding element is arranged in each case.
  • the field lines of neighboring magnetic elements Concentrate, which in turn can optimize the power density of the system of the running device, that is, can assume high values. It is then also possible to use inexpensive magnetic elements with low remanence induction in order to still achieve a high power density.
  • the rotor device can be constructed in a structurally simple manner if the magnetic elements and the flow guide elements are seated on a piston rod, this piston rod then connecting the two pistons of the piston pair of a flow guide device.
  • the magnetic elements and the flux guiding elements are designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis of the piston rod, so as to generate a defined induction voltage.
  • the magnetic elements and the flux guiding elements are advantageously arranged alternately in order to be able to generate high induction voltages during the movement of the rotor device relative to the stator device.
  • the flux guide elements are made of a magnetically conductive material such as iron or a magnetically conductive powder composite.
  • the field lines of the adjacent magnetic elements can be concentrated by them so that they act as "field line collectors".
  • the magnetic elements can be permanent magnetic elements or electromagnetic elements.
  • electromagnetic elements When electromagnetic elements are provided, the energy for operating these elements must be transferred to the rotor device. This can be done, for example, inductively or via slip rings.
  • the rotor device is provided with a tooth structure with respect to a surface facing the stator device, or has such a tooth structure so that via corresponding different magnetic resistances (reluctance) of the magnetic circuit thus formed in the coils of the stator device by in-phase switching or coils a voltage is induced.
  • Permanent magnets can also be used to increase the corresponding forces.
  • stator device and rotor device have different pole pitches, so that the force formation of the linear drive is not based on the fundamental waves of the stator current coating and rotor field, but the harmonics of the current coating produce the main force effect with the basic wave of the rotor field.
  • the cross sections of inference yokes can be dimensioned smaller.
  • the power density of the system can be increased significantly since it can be operated at higher frequencies, for example in the order of 500 Hz or higher.
  • additional secondary windings are provided with which electrical energy can be coupled out.
  • electrical energy can be coupled out.
  • Voltage levels are adjusted, for example, an on-board electrical system Supply motor vehicle with electricity.
  • the corresponding outlay for decoupling a corresponding current is low, a rectifier advantageously being arranged downstream of the secondary windings in order to generate a rectified current.
  • the linear drive can be single-phase or multi-phase.
  • a stator device In order to generate an induction voltage, a stator device comprises windings around the piston receptacle and in particular rotating main ring windings. Ring windings are particularly easy to wind. A voltage is induced in the windings in the stator device due to the relative movement between the stator device and the rotor device. The electrical ring energy is completely or largely coupled out or in through the main ring windings.
  • a synchronization device is advantageously provided, by means of which the movement of the two piston devices can be synchronized. This makes it possible to set the two piston devices in opposite directions with high accuracy, in order to achieve mass balancing with high accuracy.
  • the synchronization device then comprises secondary windings on the piston receptacle, the current flow of which can be individually controlled. If an asynchronicity of the two piston devices is then detected, the one that is running too fast can be controlled by appropriate control of the current flow Pistons are braked and / or the piston which is running too slowly is accelerated. With a synchronous movement, these secondary windings can be used, for example, to branch off electrical energy for an electrical system. The secondary windings can also be used for diagnostic purposes. In this way, for example, the introduction of fuel can be controlled in order to achieve synchronous operation with two or more piston devices.
  • the synchronization device comprises secondary windings on the piston receptacle, which are assigned to the respective piston devices and are electrically connected to one another, so that a compensating current can flow between the secondary windings.
  • the synchronization of the two piston devices is automatically regulated via this compensating current: if these move synchronously, no current flows. If these move asynchronously, then the compensating current generated slows down the piston device that is moving too quickly and accelerates the piston device that is running too slowly.
  • the current flow can be controlled electrically, so that, for example, a threshold value can be set, if it is exceeded a synchronization process must be carried out.
  • the position of a piston device in the cylinder is detected by a control and / or regulating device from the voltage induced in the stator device. This allows you to be independent Detect the respective position of the piston device from a compensating current in order to also monitor the movement of these piston devices, for example.
  • a lubrication device for a piston device is designed such that the associated rotor device can be cooled with the lubricating oil. This minimizes the design effort for cooling the rotor device.
  • cooling channels are arranged around the stator device and / or the piston receptacle, in particular in the region of an expansion space.
  • the active components of the device can then be cooled via a corresponding cooling device, which comprises these cooling channels.
  • usable heat can then also be coupled out via the cooling device, which heat can then be supplied to thermal applications such as, for example, vehicle heating or a combined heat and power plant. This in turn increases the overall effective efficiency of the system.
  • an expansion space is designed as a combustion space. Fuel gases then expand in such a combustion chamber.
  • the combustion gases themselves can be generated in the combustion chamber by combustion processes taking place there, or can be generated externally and then coupled into the combustion chamber.
  • a heat transfer medium such as steam to relax in the expansion space.
  • This heat transfer medium is preferably generated outside the expansion space or energy is supplied to the heat transfer medium outside the expansion space.
  • superheated steam is injected into an expansion room; the steam can relax there and cause a linear movement of the piston device. This in turn can be used to generate electricity.
  • the heat generation and pressure increase takes place outside the expansion space.
  • Various methods can be used to generate the heat transfer medium or to heat the heat transfer medium; for example, heating can take place via concentrated solar radiation, the solar radiation being concentrated via solar collectors. Heating or heat transfer can also take place via the combustion of solid, liquid or gaseous fuels.
  • the heated heat transfer medium can be temporarily stored in a pressure vessel.
  • this enables a free-piston steam engine to be designed which has a higher electrical efficiency than conventional steam engines.
  • steam for example, as the medium expanding in the expansion space, lubrication problems for the moving piston device are reduced, since in particular water lubrication of the piston device can be used.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a free piston device according to the invention with an electric linear drive, which is designed as a free piston combustion device;
  • Figure 2 shows a second embodiment of a device according to the invention
  • Figure 3 shows a third embodiment of a device according to the invention
  • Figure 4 schematically shows a combustion chamber
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 6 shows a fifth embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 7 shows a sixth exemplary embodiment of a device according to the invention, which is designed as a free-piston steam engine.
  • a first exemplary embodiment of a free-piston device (free-piston combustion device) according to the invention with an electric linear drive, which is designated as a whole in FIG. 1 by 10, comprises as the piston receptacle 12 a cylinder with a cylinder housing 14, in the interior 16 of which a first piston device 18 and a first one Piston device 18 spaced apart second piston device 20 are linearly displaceable.
  • the two piston devices 18 and 20 are essentially rotationally symmetrical with respect to an axis of symmetry 22 of the cylinder 12, at least with regard to their outer shape.
  • the axes of the two piston devices 18 and 20 coincide with the axis of symmetry 22.
  • the first piston device 18 comprises a first piston 24a and a second piston 24b arranged at a distance from this first piston, these two pistons 24a and 24b being fixedly and in particular rigidly connected to one another via a piston rod 26. A pair of pistons is thereby formed.
  • the second piston device 20 is constructed identically with a first piston 28a, a second piston 28b and a piston rod 30 which is arranged between these two pistons 28a and 28b.
  • the second piston 24b of the first piston device 18 is the second piston
  • the first piston 24a of the first piston device 18 is an end wall 32 of the Cylinder 12 is arranged facing, while the first piston 28a of the second piston device 20 is facing a wall 34 opposite the front wall 32 of the cylinder 12.
  • a combustion chamber with a combustion chamber 36, 38 is formed as an expansion chamber, in which combustion gases are expandable by the associated piston device (for the combustion chamber 36 the to drive the first piston device 18 and the second piston device 20) for the combustion chamber 38.
  • the dimensions of the respective combustion chambers with combustion chambers 36 and 38 are determined by the piston stroke of the respective piston devices 18 and 20, that is to say in particular the volume and surface are determined by the reversal point of the piston movement of the first pistons 24a and 28a.
  • the free-piston combustion device comprises an electric linear drive, designated as a whole by 40, which comprises a first part 42, which is assigned to the first piston device 18 and a second part 44, which is assigned to the second piston device 20.
  • the corresponding part 42 or 44 of the electric linear drive 40 in turn comprises a rotor device 46 which is arranged on the respective piston device 18 or 20.
  • This rotor device 46 is moved with the piston device 18 or 20.
  • Via a stator device 48 which is arranged on the cylinder 12 outside the cylinder housing 14, and in each case the Voltages are assigned to the first piston device 18 or the second piston device 20, voltages can then be induced in order to generate electrical energy.
  • the rotor device 46 comprises magnetic elements 50 and flux guide elements 52, which are arranged alternately on the associated piston rod 26 or 30.
  • the magnetic elements 50 can be permanent magnet elements which are in particular disc-shaped, rotationally symmetrical about the axis 22. These can also be electromagnetic elements which comprise corresponding windings arranged in particular concentrically about the axis 22. A corresponding device must then be provided in order to be able to transmit energy to these electromagnets. This can be done inductively, for example, or via slip rings.
  • a flux guide 52 is also disc-shaped and made of a material with high magnetic conductivity.
  • a material with high magnetic conductivity For example, iron or magnetically conductive powder composite materials can be used.
  • the magnetic elements 50 in particular if they are permanent magnets, and the flux-conducting elements 52 are designed such that they have a central opening with which they can be pushed onto the associated piston rod 26 or 30 during the production of the corresponding piston device 18 or 20 ,
  • the magnetic elements 50 are designed and in particular magnetized in such a way that the field lines of the adjacent magnetic elements 50 are concentrated in a flux guiding element 52, in order thus to increase the power density of the system.
  • the magnetic elements 50 are arranged in parallel in such a way that the same poles point to one another.
  • an outer surface of the respective rotor device 46 is designed such that it is tooth-shaped in a cross section comprising the axis 22 of an inner side facing a cylinder wall.
  • the rotor device 46 has changing magnetic conductivities due to such a tooth structure, so that a propulsion for a piston device can be generated.
  • the stator device 48 comprises main ring windings 54, which is arranged around an outer wall of the cylinder 12. A voltage is induced in these ring windings upon relative movement of the magnetized rotor device 46, as a result of which electrical energy can be coupled out. A power generation device is then provided which is based on the principle of free piston guidance (linear mobility of the two piston devices 18 and 20).
  • the stroke of the two piston devices 18 and 20 can be controlled and / or regulated via a control and / or regulating device 56.
  • a control and / or regulating device 56 can be carried out that the location of the piston devices 18, 20 is fixed at any time.
  • the reversal point of the piston movement of the first can be used as required
  • Adjust pistons 24a and 28a so that the dimensions of the respective combustion chambers 36 and 38 can be adjusted.
  • Appropriate control of the linear drive 40 allows the piston stroke to be set as a function of the load state, the compression to be set and the speed of the piston devices 18, 20 to be set, and thus the combustion chamber 36 or 38 to be set optimally depending on the load state.
  • the volume of the combustion chambers 36, 38 and the respective surfaces of these combustion chambers 36 and 38 can then be adapted to the application.
  • This local time-dependent adjustment of the piston stroke can also be used to adapt to the fuel, i.e. a piston stroke distance and compression can be set, depending on whether for example diesel or vegetable oil (diesel principle) or gasoline, natural gas or hydrogen (Otto principle) is used as fuel. (The necessary ignition devices are not shown in the drawing.)
  • the associated piston device 18 or 20 can thus be influenced in its linear displaceability in order to determine the location of the reversal points of the piston movement to be able to precisely define the two piston devices 18, 20 in the external combustion chambers 36 and 38.
  • the two piston devices 18 and 20 are arranged and designed so that they are in opposite directions.
  • a spring-back space 58 is formed between its second pistons 24b and 28b, in which an elastic element or a compressible medium is accommodated.
  • a compression spring can be arranged in the spring-back space 58, which at least partially absorbs the energy that was not decoupled from the linear drive 40 during a combustion work cycle.
  • This stored energy can be used to compress the fuel-air mixture in a 2-stroke operation or to discharge the exhaust gases in a 4-stroke operation.
  • valves 60 can be controlled and / or regulated via one or more valves 60.
  • the control and / or regulation of the valve or valves 60 is preferably carried out via the control and / or regulating device 56.
  • a spring-back chamber 58 in which the pressure can be controlled, can also be used to pump a pump with respect to the two piston devices 18 and 20 to train.
  • Appropriate valves 100 and 102 (see FIG. 2) allow controlled air to be pumped into combustion chambers 36 and 38. With correspondingly time-controlled closing of the valves 100 and 102, that is to say decoupling from the The spring back function (energy storage function) can be guaranteed in the environment.
  • This control then takes place via the control and / or regulating device 56 synchronously with the timing of the combustion in the combustion chambers 36 and 38 (compare FIG. 2 with the combustion chambers 36 'and 38' there).
  • Each combustion chamber 36, 38 is provided with an electrically controllable outlet valve 62 and, in particular, an electrically controllable inlet valve 64, with a corresponding control taking place via the control and / or regulating device 56.
  • This allows the intake of combustion chamber gases and the removal of combustion products to be controlled in a timely manner and, in particular, to be synchronized, for example in connection with the electrical actuation of the linear drive 40 by means of a corresponding electrical actuation device 66 and a possible pump function of the resilience space 58.
  • a suction line 68 leading into the corresponding combustion chamber 38 is connected to a charger 70.
  • This suction line 68 is coupled to the combustion chamber 38 via an inlet valve 64.
  • An exhaust pipe 72 leads to the charger 70 via the outlet valve 62.
  • the charger 70 itself has a supply 74 for intake air and a discharge 76 for exhaust gases.
  • the charger 70 is in particular a pressure wave charger (Comprex charger), in which the energy of the exhaust gas stream is used by the combustion chambers 36 and 38 to compress the charge air (intake air).
  • a pressure wave charger In such a pressure wave supercharger, pressure waves and suction waves suck in and compress fresh air from the pulsating exhaust gases. This compression takes place in direct contact with the exhaust gases.
  • a constantly oscillating displacement movement and, in particular, a collinearly opposing displacement movement of the two piston devices 18 and 20 can be formed. This in turn allows a constant oscillation of the discharged exhaust gases to be achieved, so that the gas exchange can be controlled and / or regulated via a charger.
  • the advantage of a Comprex loader is that it requires very little energy.
  • the overall system of the charger 70 and movable piston devices 18 and 20 with their respective combustion chambers 36 and 38 can be designed precisely for an optimal operating point, which in turn can be designed for the charger 70, due to the constant period for the oscillating movement of these piston devices 18 and 20.
  • one or more secondary windings 82 are associated with the two piston devices 18, 20, respectively, around the cylinder. These are electrically separated from the main ring windings 54 of the respective stator device 48.
  • the secondary windings 82 are arranged, for example, around the main ring windings 54 or lying next to them (in the axial extension of a ring winding axis of the main ring windings 54).
  • a further current can be coupled out via such secondary windings 82, for example to supply a 12V / 14V or a 36V / 42V electrical system of a motor vehicle with current.
  • the number of turns is adapted accordingly.
  • Such secondary windings 82 are preferably followed by a rectifier in order to be able to generate a rectified current accordingly.
  • a synchronization of the two piston devices 18, 20 in their linear movement in the cylinder 12 can be achieved by means of a synchronization device.
  • the synchronization device is included in the control and / or regulating device 56, at least with regard to its control and regulation part.
  • these secondary windings 82 can then be used to generate electricity.
  • the respective secondary windings 82 which face the two piston devices 18 and 20, are electrically connected to one another. This is indicated in FIG. 1 by reference number 84.
  • a compensating current can then flow between the respective secondary windings 82, which self-regulatingly synchronizes the movements of the two piston devices 18 and 20. The faster piston device is braked and the slower accelerated.
  • a threshold value for this compensating current itself can be specified, for example, via the control and / or regulating device 56.
  • a cooling device 86 comprising cooling channels 88 is arranged around the stator device 48 in order to cool the active components of the free-piston combustion device with linear drive 10; These active components include in particular the piston devices 18, 20, the cylinder 12 and the main ring windings 54.
  • heat is extracted from the corresponding cooling device 86 and that this is used in thermal applications, for example for a vehicle heater or for a combined heat and power plant.
  • the device according to the invention functions as follows:
  • Certain reversal points (UT and OT) of the two piston devices 18, 20 are set via the linear drive 40 by appropriate current application, in order thus to determine the volume and the surface of the respective combustion chambers 36 and 38. Furthermore, the speed of the piston devices 18, 20 and overall the compression are determined. This setting depends on the load (partial load or full load), the fuel (gasoline, natural gas, hydrogen, diesel, vegetable oil, etc.) and any other external parameters.
  • electrical preheating takes place for the start of the device and the cooling water of the cooling device 86 is also preheated.
  • This preheating can take place via the linear drive 40 by using corresponding windings, for example the main ring windings 54, as heating elements. However, separate heating coils can also be provided.
  • the piston pairs 24a, 24b and 28a, 28b of the two piston devices 18 and 20 provide support for each piston device 18, 20, that is to say the pistons 24a, 24b and 28a, 28b of the piston pairs can be guided linearly without tilting.
  • pistons 24b and 28b also serve to seal against the resilience space 58.
  • the reversal points of the movement of the two piston devices 18, 20 are (local and temporal) can be precisely specified, and therefore no throttle valve, which is otherwise responsible for throttle losses, is necessary for the air supply in part-load operation.
  • the intake of air and the removal of the exhaust gases can be controlled in a targeted manner by means of the valves 62 and 64 for the respective combustion chambers 36, 38. This can improve the efficiency of the overall system and improve the exhaust gas quality; an exact adjustment between the individual time-critical processes can take place through precise setting of the control times via points in time and the duration with regard to the gas change (flow through the valves 62, 64). Since the speed of the piston devices can also be controlled or regulated, even during the expansion process, the formation of exhaust gases can be influenced.
  • the inlet valve 64 is arranged and designed such that sucked-in air and resulting gas flows are guided along inner cylinder walls in order to obtain an optimized purging process for the gas exchange (see FIG. 4).
  • the inlet valve 64 has, for example, a correspondingly designed guide plate 88 which ensures such a flow along. This is particularly necessary in 2-stroke operation to achieve reverse purging in the combustion chamber.
  • the intake and compression of air and the exhaust of exhaust gases is preferably carried out via a pressure wave charger 70.
  • the stator device 48 is cooled via the cooling device 86.
  • the cooling device 86 also cools further parts of the cylinder 12 and, for example, the piston devices 18 and 20.
  • the pistons 24a, 24b, 28a, 28b are lubricated, for example, by simple splash lubrication, which means that no oil pump is required.
  • the pistons then move in an oil bath which is swirled together by the movement in order to ensure an adequate supply of lubricating oil.
  • the pistons 24a, 24b, 28a, 28b can be produced with a minimized side surface facing the cylinder 12, that is to say the piston shirts can be made short, since correspondingly pairs of pistons with mutual support action are provided. Friction losses during the movement of the two piston devices 18 and 20 can thereby be minimized.
  • the pistons 24a, 24b, 28a, 28b can also be produced from non-metallic materials such as ceramic materials or from graphite or, for example, glassy carbon. Such pistons can do without lubrication. This design is possible because essentially no transverse forces occur due to the mutual support of the piston pairs.
  • a high power density of the system can be achieved by the rotor device 46 according to the invention with alternating magnet elements 50 and flux guide elements 52, without having to use magnets with high remanence induction.
  • high power densities can be achieved if the pole pitch in the rotor device and the stator device is different.
  • the linear drive 40 itself can have a single-phase, two-phase, three-phase or multi-phase structure.
  • the main ring windings 54 of the corresponding stator device 48 can be embedded in iron packets, for example, in order to achieve field guidance.
  • the two piston devices 18, 20, which can move in opposite directions, can be synchronized with one another, with self-regulation in particular being able to be carried out via a compensating current.
  • control and / or regulating device 56 evaluates position information of the two piston devices 18, 20 via the induced voltage; this evaluation is an evaluation of the relative position of the rotor device 46 to the associated stator device 48. For example, these detection results can then be used to improve the synchronization of the two piston devices 18 and 20. By providing additional windings in the stator device 48, the accuracy of the position determination can be increased.
  • the free-piston combustion device according to the invention can be operated, for example, in 2-stroke or 4-stroke operation.
  • an overflow guide 92 is provided instead of a charger 70.
  • the cylinder 12 itself is basically designed as described above, so that the same parts have the same reference numerals as in Figure 1, but with a dash.
  • a corresponding spring-back chamber 94 is coupled to a suction channel 96 and a suction channel 98 via corresponding valves 100 and 102, so that air can be sucked into the corresponding combustion chambers 36 'and 38' via these.
  • the volume of the resilience chamber 94 is greater than the total volume of the two combustion chambers 36 ', 38' together in order to achieve a pre-compression of the intake air.
  • Intake air can be pre-compressed into spring-back space 94, which has a pump function, before it is pumped into combustion chambers 36 'and 38'.
  • a cylinder 106 is again provided, in which in turn two piston devices 108 and 110 are guided so as to be linearly displaceable. These are designed, as already described above, with respective piston pairs 112a, 112b and 114a, 114b.
  • the pistons 112a and 114a are each arranged facing a respective front cylinder wall 116 and 118, while the two pistons 112b and 114b point to one another.
  • the space between the two piston devices 108 and 110 is designed as a combustion chamber 120 in that an air / fuel mixture can be ignited accordingly.
  • this combustion chamber 120 is provided with an inlet valve 122 and an outlet valve 124. Fresh air is supplied to the combustion chamber 120 via the inlet valve and exhaust gas is discharged via the outlet valve 124.
  • a corresponding suction line 126 and a discharge line 128 is connected to a charger 130, which in turn, as already described with reference to the first exemplary embodiment, is connected to the outer combustion chambers 132 and 134 via respective suction lines 136 and exhaust gas discharge lines 138. Otherwise, the free-piston combustion device with a linear generator works as already described above. It is fundamentally possible for piston devices 140, 142 to be provided, between which a combustion chamber 144 is arranged (FIG. 5).
  • Each piston assembly 140, 142 in turn includes a pair of spaced pistons 146a, 146b and 148a, 148b, respectively.
  • a spring-back space 154, 156 is formed between the piston 146a and a facing cylinder wall 150 and the piston 148a and the facing cylinder wall 152, in which, for example, an elastic element 158, preferably a compression spring, is arranged.
  • the energy that is not absorbed by a corresponding linear drive 160 during a combustion work cycle can then be stored separately for each piston device 140, 142, that is to say in an associated spring-back chamber 154 or 156.
  • the linear drive 160 is basically of the same design as described above with reference to the linear drive 40.
  • a piston receptacle 204 is provided, in which a single piston device 206 can be displaced linearly.
  • piston receptacles 204 can be interconnected, for example for power generation, in that they are stacked in a packet-like manner, for example, or two piston receptacles are each arranged in a V-shape.
  • the piston device 206 in turn comprises a first piston 208 and an opposing second piston 210, which essentially serves to support the first piston 208.
  • a piston rod 212 is arranged between these two pistons 208 and 210 and connects these two pistons 208 and 210 to one another.
  • a rotor device 214 which is designed as described above, is arranged between these two pistons 208 and 210 on the piston rod 212.
  • a stator device 216 configured as described above sits on the piston receptacle 204.
  • the first piston 208 faces an expansion space designed as a combustion chamber 218 and delimits it. This first piston 208 thus also directly experiences the pressure of the combustion gases expanding in the combustion chamber 218, which drive the piston device 206.
  • a thermal insulating element 220 for example a ceramic disk of the rotor device 214, is arranged on the first piston 208 in order to thermally isolate the combustion chamber 218 from the rotor device 214.
  • An exhaust line 224 leads from the combustion chamber 218 via a controllable outlet valve 222 to a charger 226. Furthermore, one leads from this bearing 226 Supply line 228 to the combustion chamber 218, into which it opens via a controllable inlet valve 230.
  • the charger 226 with its coupling to the combustion chamber 218 functions as already described above.
  • the second piston 210 faces a space 232, which is a non-combustion space.
  • this is designed as a spring-back space in that a mechanical elastic element is arranged (not shown in FIG. 6) or in that a compressible medium such as air is arranged.
  • controllable valves 234 are provided for controlling and / or regulating the pressure in this space 232 in order to be able to control the springback.
  • the device 202 functions as described above with reference to the first exemplary embodiment, that is to say the piston movement can be variably adjusted via the control and regulating device 56.
  • the upper reversal point (OT) and the lower reversal point (UT) can be set, in particular spatially with respect to the piston receptacle 204 and can be set in time. Furthermore, the piston speed can be adjusted, and in turn the compression in the combustion chamber 218 can be adjusted. In particular, the setting takes place via a linear drive, which includes the rotor device 214 and the stator device 216.
  • the device can be variably adapted to different operating conditions or different operating parameters.
  • Free-piston combustion devices have been described above as exemplary embodiments for free-piston devices according to the invention. These can be used in particular as internal combustion engines.
  • a piston receptacle 302 comprises an interior 304 in which a piston device 306 is arranged so as to be linearly movable.
  • the piston device 306 comprises a first piston 308 and an opposing second piston 310 connected to it.
  • the first piston 308 delimits an expansion space 312, in which a heat transfer medium such as steam can relax, a force being exerted on the first piston 308 and thus on the piston device 306 via this expansion of the heat transfer medium.
  • the second piston 310 delimits a spring-back space 313, which is formed in the interior 304 of the piston receptacle 302 at the other end with respect to the expansion space 312.
  • a rotor device 314, which moves with the piston device 306, is fixed to the piston device 306.
  • a stator device 316 is fixed in place with respect to the piston receptacle 302.
  • the heat transfer medium which is in particular steam, is generated or heated outside the expansion space 312.
  • a pressure vessel 318 is provided, for example, which is coupled to the expansion space 312 via an outlet 320.
  • a line 322 for heat transfer medium is arranged between this outlet 320 and the expansion space 312.
  • the pressure vessel 318 can be heated by means of a heat source 324.
  • the heat source itself can be heated by means of solar radiation or by means of fuels.
  • Heated heat transfer medium such as superheated steam
  • Heated heat transfer medium is injected from the pressure vessel 318 into the expansion space 312 and can relax there. This leads to a piston movement on the piston device 306, as a result of which electrical energy can be generated.
  • a corresponding valve 326 is arranged on it, which can be actuated mechanically or electrically. This allows the heat transfer medium supply to be controlled or regulated in a corresponding manner.
  • a further valve 330 via which the medium removal from the expansion space 312 can be controlled or regulated, this control taking place in particular coupled to the heat transfer medium supply.
  • the outlet 328 is connected via a line 330 to a recooling device 332, via which medium discharged from the expansion space 312 can be cooled.
  • the medium that enters the recooling device 332 is under a lower pressure than the medium that exits the pressure vessel 318 and enters the expansion space 312 for expansion.
  • medium such as steam can be fed via a line 334 into the pressure vessel 318, in order to be able to supply energy to the medium there, i.e. H. To be able to provide heat transfer medium for the expansion space 312.
  • a pump 336 is arranged in the line 334 in order to be able to convey the medium into the pressure vessel 318.
  • the pressure vessel 318 is preferably filled with steam.

Abstract

The invention relates to a universally applicable free-piston device with an electric linear drive (10, 40), comprising at least one piston receiving element (12) with at least one piston device (18) which is arranged in the piston receiving element (12) such that it can be displaced in a linear manner. The piston device (18) comprises a rotor device (46), and a stator device (48) is arranged on the piston receiving element (12). The at least one piston device (18) is driven by the action of a medium which expands in an expansion chamber (36, 38). According to the invention, the piston stroke can be variably adjusted by the linear drive (10, 40) in such a manner that the slack points of the displacement of the piston device (18) can be defined.

Description

B E S C H R E I B U N G DESCRIPTION
FREIKOLBENVORRICHTUNG MIT ELEKTRISCHEM LINEARTRIEBFREE PISTON DEVICE WITH ELECTRIC LINEAR DRIVE
Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung, wobei die Kolbeneinrichtung eine Läufervorrichtung umfaßt und an der Kolbenaufnahme eine Statorvorrichtung angeordnet ist und wobei die mindestens eine Kolben- einrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist.The invention relates to a free piston device with an electric linear drive, comprising at least one piston receptacle with at least one piston device arranged to be linearly movable in the piston receptacle, the piston device comprising a rotor device and a stator device being arranged on the piston receptacle, and the at least one piston device under the action of Medium, which is expanding in an expansion space, can be driven.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 22 17 194 C3 bekannt.Such a device is known for example from DE 22 17 194 C3.
Mit ihr läßt sich beispielsweise chemische Energie über Verbrennung teilweise in mechanische Energie, nämlich kinetische Energie einer Kolbeneinrichtung, umwandeln und diese mechanische Energie läßt sich dann wiederum über den Lineartrieb zumindest teilweise in elektrische Energie umwandeln. Durch eine Ausgestaltung der Kolbenbewegung als Freikolbenbewegung läßt sich eine reine Linearbeweglichkeit der Kolben realisieren, ohne daß eine Kurbelwelle vorgesehen werden muß. Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise als Teil von Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden und insbesondere im Zusammenhang mit seriellen Hybridkonzepten. Sie lassen sich auch als kompakte Stromerzeugungseinheit zur Generierung von Strom einsetzen oder auch in Zusammenhang mit stationären Anwendungen wie beispielsweise Blockheizkraftwerken einsetzen.With it, for example, chemical energy can be partly converted into mechanical energy via combustion, namely kinetic energy of a piston device, and this mechanical energy can then in turn be at least partly converted into electrical energy via the linear drive. By designing the piston movement as a free piston movement, pure linear mobility of the pistons can be achieved without the need for a crankshaft. Corresponding devices can be used, for example, as part of hybrid drives for motor vehicles and in particular in connection with serial hybrid concepts. They can also be used as a compact power generation unit to generate electricity or in connection with stationary applications such as combined heat and power plants.
Verbrennungsvorrichtungen mit elektrischen Generatoren sind auch aus der US 6,199,519 Bl, der DE 31 03 432 AI, der DDR- atentschrift Nr. 113 593, der DE 43 44 915 AI oder aus dem Artikel "ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH" von P. Van Blarigan, Proceedings of the 2000 DOE-Hydrogen Program Review, bekannt.Combustion devices with electrical generators are also known from US Pat. No. 6,199,519 B1, DE 31 03 432 AI, GDR patent No. 113 593, DE 43 44 915 AI or from the article "ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH" by P. Van Blarigan , Proceedings of the 2000 DOE-Hydrogen Program Review.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welche universell einsetzbar ist.Based on this, the object of the invention is to create a free-piston device with an electric linear drive of the type mentioned at the outset, which can be used universally.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel einstellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung definierbar sind.This object is achieved according to the invention in the device mentioned at the outset in that the piston stroke can be variably adjusted via the linear drive in such a way that the dead centers of the movement of the piston device can be defined.
Dadurch, daß der Kolbenhub über entsprechende elektrische Beaufschlagung des Lineartriebs variabel einstellbar ist, läßt sich die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung so einstellen, daß die für die jeweilige Anwendung optimalen Bedingungen herrschen. Durch einen variablen Kolbenhub läßt sich eine variable Verdichtung erreichen; es lassen sich nämlich die Umkehrpunkte der Bewegung eines Verdichterkolbens der Kolbeneinrichtung gezielt einstellen. Dadurch läßt sich die Vor- richtung in jedem Lastbereich optimal betreiben.The fact that the piston stroke can be variably adjusted by corresponding electrical actuation of the linear drive means that the movement of the at least one piston device can be adjusted so that the optimal conditions prevail for the respective application. With a variable piston stroke, variable compression can be achieved; namely, the reversal points of the movement of a compressor piston of the piston device can be set in a targeted manner. This means that the device can be operated optimally in any load range.
Bei Vollast beispielsweise muß eine große Gasmenge angesaugt werden. Es ist deshalb beispielsweise für Brenngase ein großer Brennraum (als Expansionsraum) erforderlich und damit auch ein großer Kolbenhub. Im Teillastbetrieb dagegen ist das Ansaugvolumen reduziert und das Volumen deshalb zu verringern.At full load, for example, a large amount of gas must be drawn in. For combustion gases, for example, a large combustion chamber (as an expansion chamber) is therefore required, and thus a large piston stroke. In contrast, in partial load operation the intake volume is reduced and the volume is therefore reduced.
Der Lineartrieb kann dann auch die Inbetriebnahme der Vorrichtung unterstützen, indem beispielsweise die Anfangsverdichtung über den Lineartrieb ge- steuert wird.The linear drive can then also support the commissioning of the device, for example by controlling the initial compression via the linear drive.
Über eine Steuerung/Regelung des Lineartriebs läßt sich gezielt die gewünschte Bewegungsform der Kolbeneinrichtung einstellen; der gewünschte Umkehrpunkt, die Kolbengeschwindigkeit und die Verdichtung lassen sich jeweils einstellen, so daß insbesondere im Teillastbetrieb sich verbesserte Teillastwirkungsgrade erreichen lassen, da keine Drosselklappe notwendig ist. Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung läßt sich damit der Betriebspunkt der Vorrichtung genau festlegen.The desired form of movement of the piston device can be set in a targeted manner via a control of the linear drive; the desired reversal point, the piston speed and the compression can each be set, so that improved part-load efficiency can be achieved, especially in part-load operation, since no throttle valve is necessary. The operating point of the device can thus be precisely determined by specifically specifying currents in the stator device.
Auf diese Weise kann dann eine Expansionskammer wie beispielsweise eine Brennkammer optimal an die Anwendung angepaßt werden, das heißt insbesondere das Volumen und die Oberfläche der Expansionskammer läßt sich gezielt anpassen. Dadurch wiederum ergeben sich umfangreiche Steuerungsund Regelungsmöglichkeiten. So ist es möglich, die Vorrichtung mit unterschiedlichen Brennstoffen oder auch mit expandierbaren, nicht-brennbaren Wärmeträgermedien wie Dampf zu betreiben, das heißt die Vorrichtung ist vielstofftauglich. Es ist dabei auch keine Umstellung der Vorrichtung als solcher erforderlich, das heißt die Anpassung an einen bestimmten Kraftstoff wie Pflanzenöl oder Diesel (Diesel-Prinzip) oder Normal- oder Superbenzin (Otto- Prinzip) oder Wasserstoff oder Erdgas läßt sich "online" durchführen, indem entsprechend der Kolbenhub über beispielsweise Strombeaufschlagung der jeweiligen Statorvorrichtung eingestellt wird.In this way, an expansion chamber such as a combustion chamber can then be optimally adapted to the application, that is to say in particular the volume and the surface of the expansion chamber adapt specifically. This in turn results in extensive control and regulation options. It is thus possible to operate the device with different fuels or with expandable, non-combustible heat transfer media such as steam, which means that the device is suitable for a wide range of materials. It is also not necessary to change the device as such, that is to say the adaptation to a specific fuel such as vegetable oil or diesel (diesel principle) or normal or super gasoline (Otto principle) or hydrogen or natural gas can be carried out “online”, by adjusting the piston stroke accordingly, for example by applying current to the respective stator device.
Es ist sogar möglich, einen kombinierten Otto-Diesel-Motor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu realisieren.It is even possible to implement a combined Otto-Diesel engine with the device according to the invention.
Es ist beispielsweise auch möglich, zwischen 2-Taktbetrieb und 4-Taktbetrieb zu wechseln.For example, it is also possible to switch between 2-stroke and 4-stroke operation.
Eine Kolbenaufnahme kann dabei einen konstanten Innendurchmesser oder einen variierenden Durchmesser aufweisen und beispielsweise abgestuft aus- gebildet sein. Mehrere Kolbenaufnahmen können vorgesehen sein, wobei Kolbenaufnahmen paketartig oder auch V-förmig angeordnet sein können.A piston receptacle can have a constant inner diameter or a varying diameter and can, for example, be graduated. Several piston receptacles can be provided, whereby piston receptacles can be arranged in a packet-like or V-shaped manner.
Es ist möglich, das expandierende Medium in dem Expansionsraum auf unterschiedliche Weise zu erzeugen bzw. in den Expansionsraum einzukoppeln. So kann der Expansionsraum ein Brennraum sein, in dem eine Kraftstoffverbrennung stattfindet und dabei expandierende Brenngase erzeugt werden. Es ist auch möglich, daß der Expansionsraum ein Brennraum ist, in den Brenngase eingekoppelt werden, wobei diese in dem Brennraum expandieren. Weiterhin ist es möglich, in den Expansionsraum ein Wärmeträgermedium wie Dampf einzukoppeln, wobei dieses Wärmeträgermedium extern erzeugt wird bzw. welchem extern Energie zugeführt wird. In dem Expansionsraum expandiert dann dieses Wärmeträgermedium und bewirkt eine Kolbenbewegung.It is possible to generate the expanding medium in the expansion space in different ways or to couple it into the expansion space. The expansion space can thus be a combustion space in which fuel combustion takes place and expanding fuel gases are generated in the process. It is also possible that the expansion space is a combustion chamber, in the fuel gases are coupled in, which expand in the combustion chamber. Furthermore, it is possible to couple a heat transfer medium such as steam into the expansion space, this heat transfer medium being generated externally or to which energy is supplied externally. This heat transfer medium then expands in the expansion space and causes a piston movement.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Totpunkte örtlich bezüglich der Kolbenaufnahme definierbar sind, um so über eine entsprechende Einstellung die Verdichtung des Systems festlegen zu können. Es ist dann auch vorteilhaft, wenn die Totpunkte für die Bewegung der Kolbeneinrichtung zeitlich definierbar sind. Dadurch wiederum läßt sich auch eine Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung einstellen, welche eine konstante Periode aufweist. Dies ermöglicht es beispielsweise, Druckwellenlader für einen Brennraum als Expansionsraum einzusetzen.In particular, it is advantageous if the dead centers can be defined locally with respect to the piston receptacle, so that the compression of the system can be determined via a corresponding setting. It is then also advantageous if the dead centers for the movement of the piston device can be defined in time. This in turn also allows a movement of the at least one piston device to be set which has a constant period. This makes it possible, for example, to use pressure wave superchargers for a combustion chamber as an expansion chamber.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung der Kolbeneinrichtung so variabel einstellbar ist, daß der Ort der Kolbeneinrichtung zu jedem Zeitpunkt definierbar ist. Als Sonderfall davon ist insbesondere die Kolbengeschwindigkeit einstellbar. Auf diese Weise läßt sich bei entsprechender Vor- gäbe der Bewegungsformen der mindestens einen Kolbeneinrichtung über den Lineartrieb eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsparameter der Vorrichtung erzielen, wobei diese Betriebsparameter insbesondere durch den verwendeten Brennstoff bestimmt sind, durch den Lastzustand und weitere Parameter.It is particularly advantageous if the movement of the piston device can be variably adjusted so that the location of the piston device can be defined at any time. As a special case, the piston speed is particularly adjustable. In this way, given appropriate specifications for the forms of movement of the at least one piston device, an optimal adaptation to the respective operating parameters of the device can be achieved via the linear drive, these operating parameters being determined in particular by the fuel used, by the load condition and further parameters.
Weiterhin ist es günstig, wenn oberer Totpunkt und unterer Totpunkt des Kolbenhubs der Kolbeneinrichtung definierbar sind, um so eine optimale Anpassung herstellen zu können. Um einen variablen Kolbenhub einstellen zu können, begrenzt die Kolbeneinrichtung an einem ersten Ende einen Expansionsraum und an einem gegenüberliegenden Ende einen Raum, welcher kein Expansionsraum ist. Dadurch ist es eben möglich, über die Steuerung des Kolbenhubs die Vorrichtung variabel einstellen zu können.Furthermore, it is advantageous if the top dead center and bottom dead center of the piston stroke of the piston device can be defined in order to be able to produce an optimal adaptation. In order to be able to set a variable piston stroke, the piston device delimits an expansion space at a first end and a space which is not an expansion space at an opposite end. This makes it possible to variably adjust the device by controlling the piston stroke.
Insbesondere ist dabei die Verdichtung im Expansionsraum über den Lineartrieb einstellbar, um so eine Optimierung des Systems erreichen zu können. Dadurch läßt sich eben entsprechend ein Betriebspunkt des Systems variabel einstellen.In particular, the compression in the expansion space can be adjusted via the linear drive in order to optimize the system. As a result, an operating point of the system can be set variably.
Insbesondere ist dann der Expansionsraum vor allem hinsichtlich Volumen und Oberfläche einstellbar, um so die entsprechende Anpassung herstellen zu können.In particular, the expansion space can then be adjusted, particularly with regard to volume and surface, in order to be able to produce the corresponding adaptation.
Vorteilhafterweise ist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung vorgesehen, über die der Lineartrieb so elektrisch ansteuerbar ist, daß ein variabler Kolbenhub einstellbar ist. Diese Einstellung läßt sich insbesondere über eine Steuerung des Stromdurchflusses bei der Statorvorrichtung erzielen. In diesem Sinne wirkt dann der Lineartrieb auch als Linearmotor, über welchen eben der Kolbenhub und damit die Umkehrpunkte bzw. Totpunkte (OT und UT) der Kolbenbewegung einstellbar sind. Bei einer Mehrzahl von Kolbeneinrichtungen kann jeder eine eigene Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zugeord- net sein oder eine solche Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung kann mehrere Kolbeneinrichtungen steuern bzw. regeln. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Kolbeneinrichtung einen ersten Kolben und einen fest mit diesem verbundenen gegenüberliegenden zweiten Kolben umfaßt, wobei der erste Kolben den zugeordneten Expansionsraum begrenzt. Der erste Kolben ist der eigentliche Verdichterkolben, auf den das expandierende Medium, wie beispielsweise expandierende Brenngase, wirkt, um so die Kolbeneinrichtung zu bewegen. Durch den zweiten Kolben wird der erste Kolben abgestützt. Dadurch sind Querkräfte minimiert, das heißt eine Kippung der Kolbeneinrichtung ist verhindert. Damit wiederum ist für eine definierte hochgenaue Linearbewegung gesorgt. Darüber hinaus läßt sich der Aufwand bezüglich der Schmierung zwischen Kolben und Zylinderinnenwand gering halten, da sich aufgrund der Abstützung des Verdichterkolbens durch den anderen Kolben im Kolbenpaar kurze Kolbenhemden realisieren lassen mit entsprechender verringerter Reibungsfläche und dann keine Ölpumpe vorgesehen werden muß, sondern beispielsweise eine einfache Planschschmierung ausreichend ist. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, für die Kolben selber neben metallischen Materialien auch andere Materialien wie Keramikmaterialien oder Graphit zu verwenden, da sich eine hochgenaue Führung mit minimierten Reibungsverlusten ausbilden läßt, wobei nur noch im wesentlichen reine Druckbelastungen auftreten.A control and / or regulating device is advantageously provided, by means of which the linear drive can be controlled electrically in such a way that a variable piston stroke can be set. This setting can be achieved in particular by controlling the current flow in the stator device. In this sense, the linear drive then also acts as a linear motor, via which the piston stroke and thus the reversal points or dead centers (TDC and TDC) of the piston movement can be set. In the case of a plurality of piston devices, each one can be assigned its own control and / or regulating device, or such a control and / or regulating device can control or regulate several piston devices. It is very particularly advantageous if a piston device comprises a first piston and an opposing second piston fixedly connected to it, the first piston delimiting the assigned expansion space. The first piston is the actual compressor piston, on which the expanding medium, such as expanding fuel gases, acts in order to move the piston device. The first piston is supported by the second piston. As a result, transverse forces are minimized, that is to say the piston device is prevented from tilting. This in turn ensures a defined, highly precise linear movement. In addition, the effort with regard to the lubrication between the piston and the inner wall of the cylinder can be kept low, since, due to the support of the compressor piston by the other piston in the pair of pistons, short piston shirts can be realized with a correspondingly reduced friction surface and then no oil pump has to be provided, but instead, for example, simple splash lubrication is sufficient. Furthermore, there is the possibility of using other materials such as ceramic materials or graphite for the pistons themselves, in addition to metallic materials, since a highly precise guidance can be formed with minimized friction losses, wherein only essentially pure pressure loads occur.
Durch das erfindungsgemäße Konzept kann auch auf die Verwendung einer Zylinderkopfdichtung verzichtet werden, da die Kolbenaufnahme mindestens im Bereich eines Expansionsraums einstückig herstellbar ist.The concept according to the invention also makes it possible to dispense with the use of a cylinder head gasket, since the piston holder can be produced in one piece at least in the region of an expansion space.
Zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben ist eine Läufervorrichtung angeordnet, welche beispielsweise ein Magnetfeld erzeugt, das bei einer Relativbewegung gegenüber der Statorvorrichtung zu einer Spannungsinduktion führt, wodurch wiederum dann ein Strom an der Vorrichtung abgreifbar ist. Läufervorrichtung und Statorvorrichtung bilden den Lineartrieb, der die kinetische Energie der Kolbeneinrichtung in elektrische Energie wandelt bzw. umgekehrt elektrische Energie in kinetische Energie wandelt.A rotor device is arranged between the first piston and the second piston, which generates, for example, a magnetic field which is generated by a Relative movement relative to the stator device leads to a voltage induction, which in turn can then be tapped at the device. The rotor device and the stator device form the linear drive, which converts the kinetic energy of the piston device into electrical energy or conversely converts electrical energy into kinetic energy.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der Nicht-Expansionsraum für eine Kolbeneinrichtung als Rückfederraum ausgebildet ist. Über einen solchen Rückfederraum läßt sich mechanische Energie während des Verbrennungsarbeitstaktes auf- nehmen, die nicht vom Lineartrieb ausgekoppelt wird. Die entsprechend gespeicherte Energie kann beispielsweise bei einem 2-Taktbetrieb zum Verdichten eines Brennstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden oder bei einem 4- Taktbetrieb zum Ausstoßen der Abgase.It is also advantageous if the non-expansion space for a piston device is designed as a spring-back space. Mechanical energy that is not decoupled from the linear drive can be absorbed via such a spring-back space during the combustion work cycle. The correspondingly stored energy can be used, for example, in a 2-cycle operation to compress a fuel-air mixture or in a 4-cycle operation to expel the exhaust gases.
In dem Rückfederraum ist dabei ein komprimierbares Element und/oder Medium aufgenommen, welches entsprechend die mechanische Energie aufnimmt und dann wieder abgibt. Bei dem komprimierbaren Element kann es sich um ein mechanisches Element und insbesondere eine Kompressionsfeder handeln.A compressible element and / or medium is accommodated in the resilience space, which accordingly absorbs the mechanical energy and then releases it again. The compressible element can be a mechanical element and in particular a compression spring.
Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn das komprimierbare Medium ein komprimierbares Fluid wie beispielsweise Luft ist. Ist es dann vorgesehen, daß der Druck im Rückfederraum einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar ist, dann lassen sich die "elastischen" Eigenschaften dieses Mediums einstellen. Darüber hinaus läßt sich dann über Steuerung des Drucks in dem Rückfederraum eine Pumpenwirkung beispielsweise bezüglich der Kolbeneinrichtung erzielen, um das Überströmen von Luft zu steuern und/oder zu regeln. Es kann dann angesaugte Luft gesteuert in den Brennraum gepumpt werden.However, it is particularly advantageous if the compressible medium is a compressible fluid such as air. If it is then provided that the pressure in the resilience space can be adjusted and / or controlled and / or regulated, then the "elastic" properties of this medium can be set. In addition, a pump effect can then be achieved, for example with respect to the piston device, by controlling the pressure in the spring-back space in order to control and / or regulate the overflow of air. The air drawn in can then be pumped into the combustion chamber in a controlled manner.
Es kann auch vorgesehen sein, daß der Druck im Rückfederraum so steuerbar und/oder regelbar ist, daß über diesen eine Vorverdichtungsfunktion erzielbar ist. Dadurch wird die Leistung des Systems erhöht, da eben eine Vorverdichtung stattfinden kann.It can also be provided that the pressure in the resilience space can be controlled and / or regulated so that a precompression function can be achieved via it. This increases the performance of the system, since pre-compression can take place.
Über einen steuerbaren/regelbaren Rückfederraum läßt sich eine Pumpenfunktion, Verdichtungsfunktion oder Saugfunktion realisieren. Diese jeweiligen Funktionen können verwendet werden, um Verbrennungsvorgänge zu steuern oder zu regeln. Sie können aber auch für externe Zwecke verwendet werden wie beispielsweise zur Bremskraftunterstützung beim Einsatz der Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.A pump function, compression function or suction function can be implemented via a controllable / adjustable spring-back space. These respective functions can be used to control or regulate combustion processes. However, they can also be used for external purposes, for example to assist braking force when the device is used in a motor vehicle.
Um eine solche Steuerung bzw. Regelung zu ermöglichen, ist der Rückfederraum mit mindestens einem steuerbaren Einlaßventil und mindestens einem steuerbaren Auslaßventil für das komprimierbare Medium versehen. Die Ventile sind so geschaltet, daß bezüglich der Rückfederungswirkung eine Komprimierung ermöglicht ist.In order to enable such a control or regulation, the spring-back space is provided with at least one controllable inlet valve and at least one controllable outlet valve for the compressible medium. The valves are switched so that compression is possible with regard to the springback effect.
Weiterhin ist es günstig, wenn eine erste Kolbeneinrichtung und eine zweite Kolbeneinrichtung vorgesehen sind, welche linear beweglich angeordnet sind, wobei die Kolbeneinrichtungen jeweils eine Läufervorrichtung umfassen und an der Kolbenaufnahme eine der jeweiligen Läufervorrichtung zugeordnete Statorvorrichtung angeordnet ist. Insbesondere sind dabei die Kolbeneinrichtungen gegenläufig kollinear zueinander beweglich. Auf diese Weise läßt sich ein Massenausgleich bei der Bewegung der Kolbeneinrichtungen durchführen, so daß die mechanische Stabilität der Vorrichtung optimierbar ist.Furthermore, it is expedient if a first piston device and a second piston device are provided, which are arranged to be linearly movable, the piston devices each comprising and on a rotor device a stator device assigned to the respective rotor device is arranged in the piston receptacle. In particular, the piston devices are mutually oppositely movable. In this way, a mass balance can be carried out during the movement of the piston devices, so that the mechanical stability of the device can be optimized.
Es ist dann günstig, wenn beiden Kolbeneinrichtungen jeweils ein eigener Expansionsraum zugeordnet ist, um so eben über expandierendes Medium wie beispielsweise Verbrennungsgase beide Kolbeneinrichtungen antreiben zu können.It is then advantageous if each piston device is assigned its own expansion space in order to be able to drive both piston devices using expanding medium such as combustion gases.
Weiterhin ist es günstig, wenn der Brennraum zwischen einem Kolben in der jeweiligen Kolbeneinrichtung, welcher der anderen Kolbeneinrichtung abgewandt ist, und einer dem Kolben zugewandten Kolbenaufnahme gebildet ist.Furthermore, it is advantageous if the combustion chamber is formed between a piston in the respective piston device, which is facing away from the other piston device, and a piston receptacle facing the piston.
Dadurch läßt sich für beide Kolbeneinrichtungen ein variabler Kolbenhub einstellen, wie er oben beschrieben wurde.As a result, a variable piston stroke, as described above, can be set for both piston devices.
Es kann vorgesehen sein, daß zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen ein weiterer Expansionsraum und insbesondere Brennraum angeordnet ist, wobei dieser weitere Expansionsraum insbesondere synchron mit den beiden äußeren Expansionsräumen betreibbar ist (synchron bedeutet hier im wesentlichen im Gegentakt). Auf diese Weise läßt sich eine Leistungssteigerung erreichen.It can be provided that a further expansion space and in particular a combustion space is arranged between the two piston devices, this further expansion space being able to be operated in particular synchronously with the two outer expansion spaces (synchronous here essentially means push-pull). In this way, an increase in performance can be achieved.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das oder die Ventile für den Gaswechsel in einem Expansionsraum über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung steuerbar und/oder regelbar und insbesondere elektrisch steuerbar und/oder regelbar sind. Dies ermöglicht eine individuelle Einstellung aller Steuerzeiten des Gaswechsels, welche wesentlich beispielsweise Verbrennungseigenschaften beeinflussen. Diese Steuerung bzw. Regelung, die insbesondere über vorgegebene Software-Einstellungen durchführbar ist, ermöglicht es dann, auch bei variablen Anwendungen einen optimalen Betriebspunkt des Gesamtsystems einzustellen.It is particularly advantageous if the valve or valves for the gas exchange in an expansion space can be controlled and / or regulated and in particular electrically controlled via a control and / or regulating device and / or are adjustable. This enables an individual adjustment of all control times of the gas exchange, which significantly influence combustion properties, for example. This control or regulation, which can be carried out in particular via predefined software settings, then makes it possible to set an optimal operating point of the overall system even in the case of variable applications.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Einlaßventile und/oder Auslaßventile für einen Expansionsraum so angeordnet und so ausgebildet sind, daß eine Gasströmung (Einlaßströmung und/oder Auslaßströmung) im wesentlichen längs einer Expansionskammerwand ausbildbar ist. Dadurch läßt sich insbesondere im 2-Taktbetrieb eine Umkehrspülung realisieren, die das Vorsehen von Einlaßschlitzen und Auslaßschlitzen überflüssig macht. Damit wiederum läßt sich die Abgasqualität verbessern und Ölverluste sind minimiert. Durch das erfindungsgemäße Konzept ergibt sich eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Kraftstoffeinbringung in das System. Es lassen sich auch Krafteinspritzsysteme verwenden und insbesondere Direkteinspritzsysteme für die Kraftstoffeinbringung in den oder die Brennräume.It is very particularly advantageous if inlet valves and / or outlet valves for an expansion space are arranged and designed such that a gas flow (inlet flow and / or outlet flow) can be formed essentially along an expansion chamber wall. In this way, reverse flushing can be implemented, in particular in 2-cycle operation, which makes the provision of inlet slots and outlet slots unnecessary. This in turn improves the exhaust gas quality and oil losses are minimized. The concept according to the invention results in a large number of possibilities for introducing fuel into the system. Power injection systems can also be used, and in particular direct injection systems for introducing fuel into the combustion chamber or combustion chambers.
Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist ein Lader vorgesehen, um den Gaswechsel in einem Expansionsraum oder den Expansionsräumen zu steuern. Es läßt sich dann mit geringem Energieaufwand der Gaswechsel steuern.In an advantageous variant of an embodiment, a charger is provided in order to control the gas exchange in an expansion space or the expansion spaces. The gas exchange can then be controlled with little energy expenditure.
Insbesondere ist dabei der Lader ein Druckwellenlader bzw. ein Comprex- Lader, welcher sich mit geringer Leistung betreiben läßt. Auf diese Weise läßt sich eine Vorverdichtung der Ansaugluft erreichen. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung die Linearbewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung so steuern kann, daß bei allen möglichen Betriebspunkten eine konstante Periode der Oszillation der Kolbenbewegung vorliegt, läßt sich ein Druckwellenlader, welcher auf konstante Perioden mit geringer Periodenspreizung angewiesen ist, einsetzen.In particular, the charger is a pressure wave charger or a Comprex charger, which can be operated with low power. In this way, pre-compression of the intake air can be achieved. Since the invention If the linear movement of the at least one piston device can be controlled in such a way that there is a constant period of oscillation of the piston movement at all possible operating points, a pressure wave charger can be used, which is dependent on constant periods with a small period spread.
Insbesondere ist der Lader dabei mit einem oder mehreren Expansionsräumen für die jeweiligen Kolbeneinrichtungen verbunden, um einen entsprechend synchronisierten Gaswechsel bezüglich der Expansionsräume durchführen zu können.In particular, the charger is connected to one or more expansion spaces for the respective piston devices in order to be able to carry out a correspondingly synchronized gas change with respect to the expansion spaces.
Bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform sind die Kolbeneinrichtungen über Planschschmierung geschmiert.In a structurally simple embodiment, the piston devices are lubricated by splash lubrication.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Heizvorrichtung zur Vorheizung vorgesehen ist. Dadurch können bei einem Kaltstart, bei dem Reibungsverluste auftreten, die Abgasqualität verschlechtert ist und erhöhter Verschleiß auftritt, die erwähnten Probleme verringert werden.It is also advantageous if a heating device is provided for preheating. As a result, the problems mentioned can be reduced in the case of a cold start in which friction losses occur, the exhaust gas quality is deteriorated and increased wear occurs.
Insbesondere sind dabei Wicklungen der Statorvorrichtung als Heizelemente eingesetzt, so daß hierzu kein erhöhter konstruktiver Aufwand nötig ist.In particular, windings of the stator device are used as heating elements, so that no increased design effort is required for this.
Vorteilhafterweise umfaßt die Läufervorrichtung eine Mehrzahl von Magnetelementen, welchen ein oder mehrere Flußleitelemente zugeordnet sind und insbesondere zwischen welchen jeweils ein Flußleitelement angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich die Feldlinien von benachbarten Magnetelementen konzentrieren, wodurch wiederum die Leistungsdichte des Systems der Läufe rvorrichtung optimierbar ist, das heißt hohe Werte annehmen kann. Es lassen sich dann auch kostengünstige Magnetelemente mit geringer Remanenzinduktion einsetzen, um trotzdem noch eine hohe Leistungsdichte zu erzielen.Advantageously, the rotor device comprises a plurality of magnetic elements, to which one or more flux guiding elements are assigned and in particular between which a flux guiding element is arranged in each case. In this way, the field lines of neighboring magnetic elements Concentrate, which in turn can optimize the power density of the system of the running device, that is, can assume high values. It is then also possible to use inexpensive magnetic elements with low remanence induction in order to still achieve a high power density.
Auf konstruktiv einfache Weise läßt sich die Läufervorrichtung ausbilden, wenn die Magnetelemente und die Flußleitelemente auf einer Kolbenstange sitzen, wobei diese Kolbenstange dann die beiden Kolben des Kolbenpaares einer Flußleiteinrichtung verbinden.The rotor device can be constructed in a structurally simple manner if the magnetic elements and the flow guide elements are seated on a piston rod, this piston rod then connecting the two pistons of the piston pair of a flow guide device.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Magnetelemente und die Flußleitelemente rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse der Kolbenstange ausgebildet sind, um so eine definierte Induktionsspannung zu erzeugen.Furthermore, it is expedient if the magnetic elements and the flux guiding elements are designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis of the piston rod, so as to generate a defined induction voltage.
Günstigerweise sind die Magnetelemente und die Flußleitelemente alternierend angeordnet, um hohe Induktionsspannungen während der Bewegung der Läufervorrichtung relativ zu der Statorvorrichtung erzeugen zu können.The magnetic elements and the flux guiding elements are advantageously arranged alternately in order to be able to generate high induction voltages during the movement of the rotor device relative to the stator device.
Die Flußleitelemente sind aus einem magnetisch leitfähigen Material wie Eisen oder einem magnetisch leitfähigen Pulververbundwerkstoff gefertigt. Durch sie sind die Feldlinien der benachbarten Magnetelemente konzentrierbar, so daß diese als "Feldliniensammler" wirken.The flux guide elements are made of a magnetically conductive material such as iron or a magnetically conductive powder composite. The field lines of the adjacent magnetic elements can be concentrated by them so that they act as "field line collectors".
Bei den Magnetelementen kann es sich um Permanentmagnetelemente han- dein oder um Elektromagnetelemente. Bei dem Vorsehen von Elektromagnetelementen muß die Energie zum Betrieb dieser Elemente auf die Läufervorrichtung übertragen werden. Dies kann beispielsweise induktiv oder über Schleifringe erfolgen. Es ist grundsätzlich auch möglich, die Läufervorrichtung bei einer asynchronen Betriebsweise mit Kurzschlußringen auszustatten, wobei dann diese Funktionsweise derjenigen einer Asynchronmaschine entspricht. Es kann weiterhin auch vorgesehen sein, daß die Läufervorrichtung mit einer Zahnstruktur bezüglich einer der Statorvorrichtung zugewandten Oberfläche versehen ist, oder eine solche Zahnstruktur aufweist, so daß über entsprechende unterschiedliche magnetische Widerstände (Reluktanz) des so gebildeten Magnetkreises in den Spulen der Statorvorrichtung durch phasenrichtiges Schalten oder Spulen eine Spannung induziert wird. Zur Verstärkung der entsprechenden Kräfte können zudem noch Permanentmagnete eingesetzt werden.The magnetic elements can be permanent magnetic elements or electromagnetic elements. When electromagnetic elements are provided, the energy for operating these elements must be transferred to the rotor device. This can be done, for example, inductively or via slip rings. In principle, it is also possible to equip the rotor device with short-circuit rings in an asynchronous mode of operation, in which case this mode of operation corresponds to that of an asynchronous machine. It can also be provided that the rotor device is provided with a tooth structure with respect to a surface facing the stator device, or has such a tooth structure so that via corresponding different magnetic resistances (reluctance) of the magnetic circuit thus formed in the coils of the stator device by in-phase switching or coils a voltage is induced. Permanent magnets can also be used to increase the corresponding forces.
In einer vorteilhaften Ausführungsform haben die Statorvorrichtung und Läu- fervorrichtung unterschiedliche Polteilungen, so daß die Kraftbildung des Lineartriebs nicht auf den Grundwellen des Statorstrombelags und Läuferfeldes beruht, sondern die Oberwellen des Strombelags mit der Grundwelle des Läuferfeldes die Hauptkraftwirkung erzeugen. Damit können die Querschnitte von Rückschlußjochen kleiner dimensioniert werden. Außerdem läßt sich damit die Leistungsdichte des Systems deutlich steigern, da es mit höheren Frequenzen, beispielsweise in der Größenordnung 500 Hz oder höher, betrieben werden kann.In an advantageous embodiment, the stator device and rotor device have different pole pitches, so that the force formation of the linear drive is not based on the fundamental waves of the stator current coating and rotor field, but the harmonics of the current coating produce the main force effect with the basic wave of the rotor field. In this way, the cross sections of inference yokes can be dimensioned smaller. In addition, the power density of the system can be increased significantly since it can be operated at higher frequencies, for example in the order of 500 Hz or higher.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß zusätzliche Nebenwicklungen vorgesehen sind, mit denen elektrische Energie auskoppelbar ist. Über diese Nebenwick- lungen, die an einen gegebenen Energiebedarf und einen gegebenenIt can be provided that additional secondary windings are provided with which electrical energy can be coupled out. About these secondary windings that meet a given energy requirement and a given
Spannungspegel angepaßt sind, läßt sich beispielsweise ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit Strom versorgen. Der entsprechende Aufwand zur Auskopplung eines entsprechendes Stromes ist gering, wobei vorteilhafterweise den Nebenwicklungen ein Gleichrichter nachgeordnet ist, um einen gleichgerichteten Strom zu erzeugen.Voltage levels are adjusted, for example, an on-board electrical system Supply motor vehicle with electricity. The corresponding outlay for decoupling a corresponding current is low, a rectifier advantageously being arranged downstream of the secondary windings in order to generate a rectified current.
Der Lineartrieb kann einphasig oder mehrphasig aufgebaut sein.The linear drive can be single-phase or multi-phase.
Um eine Induktionsspannung zu erzeugen, umfaßt eine Statorvorrichtung um die Kolbenaufnahme Wicklungen und insbesondere umlaufende Haupt-Ring- Wicklungen. Ringwicklungen lassen sich dabei besonders einfach wickeln. In den Wicklungen in der Statorvorrichtung wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Statorvorrichtung und der Läufervorrichtung eine Spannung induziert. Durch die Haupt-Ringwicklungen wird dabei die elektrische Energie vollständig oder zu einem Großteil ausgekoppelt bzw. eingekoppelt.In order to generate an induction voltage, a stator device comprises windings around the piston receptacle and in particular rotating main ring windings. Ring windings are particularly easy to wind. A voltage is induced in the windings in the stator device due to the relative movement between the stator device and the rotor device. The electrical ring energy is completely or largely coupled out or in through the main ring windings.
Günstigerweise ist eine Synchronisierungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher die Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen synchronisierbar ist. Dadurch läßt sich mit hoher Genauigkeit eine Gegenläufigkeit der beiden Kolbeneinrichtungen einstellen, um so auch mit hoher Genauigkeit einen Massenausgleich zu erzielen.A synchronization device is advantageously provided, by means of which the movement of the two piston devices can be synchronized. This makes it possible to set the two piston devices in opposite directions with high accuracy, in order to achieve mass balancing with high accuracy.
Insbesondere umfaßt dann die Synchronisierungsvorrichtung Nebenwicklungen an der Kolbenaufnahme, deren Stromdurchfluß individuell steuerbar ist. Wird dann eine Asynchronität der beiden Kolbeneinrichtungen detektiert, dann kann durch entsprechende Steuerung des Stromdurchflusses der zu schnell laufende Kolben abgebremst werden und/oder der zu langsam laufende Kolben beschleunigt werden. Bei einer synchronen Bewegung können diese Nebenwicklungen dazu genutzt werden, um beispielsweise elektrische Energie für ein Bordnetz abzuzweigen. Die Nebenwicklungen lassen sich auch für Diagnose- zwecke einsetzen. Damit kann beispielsweise die Kraftstoffeinbringung gesteuert werden, um einen synchronen Lauf bei zwei oder mehreren Kolbeneinrichtungen zu erreichen.In particular, the synchronization device then comprises secondary windings on the piston receptacle, the current flow of which can be individually controlled. If an asynchronicity of the two piston devices is then detected, the one that is running too fast can be controlled by appropriate control of the current flow Pistons are braked and / or the piston which is running too slowly is accelerated. With a synchronous movement, these secondary windings can be used, for example, to branch off electrical energy for an electrical system. The secondary windings can also be used for diagnostic purposes. In this way, for example, the introduction of fuel can be controlled in order to achieve synchronous operation with two or more piston devices.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Synchronisierungsvorrichtung Neben- Wicklungen an der Kolbenaufnahme umfaßt, welche den jeweiligen Kolbeneinrichtungen zugeordnet sind und elektrisch miteinander verbunden sind, so daß ein Ausgleichsstrom zwischen den Nebenwicklungen fließen kann. Über diesen Ausgleichsstrom wird automatisch die Synchronisierung der beiden Kolbeneinrichtungen geregelt: Bewegen diese sich synchron, so fließt kein Strom. Be- wegen diese sich asynchron, dann bewirkt der erzeugte Ausgleichsstrom eine Abbremsung der sich zu schnell bewegenden Kolbeneinrichtung und eine Beschleunigung der zu langsam laufenden Kolbeneinrichtung.It can also be provided that the synchronization device comprises secondary windings on the piston receptacle, which are assigned to the respective piston devices and are electrically connected to one another, so that a compensating current can flow between the secondary windings. The synchronization of the two piston devices is automatically regulated via this compensating current: if these move synchronously, no current flows. If these move asynchronously, then the compensating current generated slows down the piston device that is moving too quickly and accelerates the piston device that is running too slowly.
Insbesondere ist der Stromfluß elektrisch steuerbar, so daß beispielsweise ein Schwellenwert einstellbar ist, bei dessen Überschreiten ein Synchronisierungs- vorgang durchzuführen ist.In particular, the current flow can be controlled electrically, so that, for example, a threshold value can be set, if it is exceeded a synchronization process must be carried out.
Zur Unterstützung der Synchronisierung der beiden Kolbeneinrichtungen kann es vorgesehen sein, daß die Position einer Kolbeneinrichtung im Zylinder durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung aus der in der Statorvorrichtung induzierten Spannung detektiert wird. Dadurch läßt sich unabhängig von einem Ausgleichsstrom die jeweilige Position der Kolbeneinrichtung detek- tieren, um so beispielsweise auch die Bewegung dieser Kolbeneinrichtungen zu überwachen.To support the synchronization of the two piston devices, it can be provided that the position of a piston device in the cylinder is detected by a control and / or regulating device from the voltage induced in the stator device. This allows you to be independent Detect the respective position of the piston device from a compensating current in order to also monitor the movement of these piston devices, for example.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Schmiervorrichtung für eine Kolbeneinrichtung so ausgebildet ist, daß die zugeordnete Läufervorrichtung mit dem Schmieröl kühlbar ist. Dadurch ist der konstruktive Aufwand für die Kühlung der Läufervorrichtung minimiert.It is also advantageous if a lubrication device for a piston device is designed such that the associated rotor device can be cooled with the lubricating oil. This minimizes the design effort for cooling the rotor device.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn um die Statorvorrichtung und/oder die Kolbenaufnahme, insbesondere im Bereich eines Expansionsraums, Kühlkanäle angeordnet sind. Über eine entsprechende Kühlvorrichtung, welche diese Kühlkanäle umfaßt, lassen sich dann die aktiven Bauteile der Vorrichtung kühlen. Es kann dann aber auch über die Kühlvorrichtung nutzbare Wärme ausgekoppelt werden, weiche dann wärmetechnischen Anwendungen wie beispielsweise der Fahrzeugheizung oder einem Blockheizkraftwerk zuführbar ist. Dadurch wiederum wird der effektive Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht.Furthermore, it is advantageous if cooling channels are arranged around the stator device and / or the piston receptacle, in particular in the region of an expansion space. The active components of the device can then be cooled via a corresponding cooling device, which comprises these cooling channels. However, usable heat can then also be coupled out via the cooling device, which heat can then be supplied to thermal applications such as, for example, vehicle heating or a combined heat and power plant. This in turn increases the overall effective efficiency of the system.
Es kann vorgesehen sein, daß ein Expansionsraum als Brennraum ausgebildet ist. In einem solchen Brennraum expandieren dann Brenngase. Die Brenngase selber wiederum können in dem Brennraum entstehen, indem dort Verbrennungsvorgänge stattfinden, oder können extern erzeugt werden und dann in den Brennraum eingekoppelt werden.It can be provided that an expansion space is designed as a combustion space. Fuel gases then expand in such a combustion chamber. The combustion gases themselves can be generated in the combustion chamber by combustion processes taking place there, or can be generated externally and then coupled into the combustion chamber.
Es ist auch möglich, daß in dem Expansionsraum sich ein Wärmeträgermedium wie Dampf entspannt. Dieses Wärmeträgermedium wird vorzugsweise außerhalb des Expansionsraums erzeugt bzw. es wird dem Wärmeträgermedium außerhalb des Expansionsraums Energie zugeführt. Beispielsweise wird Heißdampf in einen Expan- sionsraum eingekoppelt; der Dampf kann sich dort entspannen und eine Linearbewegung der Kolbeneinrichtung bewirken. Daraus wiederum läßt sich Strom gewinnen. Die Wärmeerzeugung und Druckerhöhung findet dabei außerhalb des Expansionsraums statt. Zur Erzeugung des Wärmeträgermediums bzw. zur Erhitzung des Wärmeträgermediums können verschiedene Verfahren eingesetzt werden; beispielsweise kann eine Erhitzung über konzentrierte Solarstrahlung erfolgen, wobei die Solarstrahlung über Solarkollektoren konzentriert wird. Es kann auch eine Erhitzung bzw. Wärmeübertragung über die Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe stattfinden. Das erhitzte Wärmeträgermedium kann in einem Druckkessel zwischengespeichert werden. Erfindungsgemäß läßt sich dadurch eine Freikolben-Dampfmaschine ausbilden, welche im Vergleich zu klassischen Dampfmaschinen einen höheren elektrischen Wirkungsgrad aufweist. Beim Einsatz von beispielsweise Dampf als in dem Expansionsraum expandierendes Medium sind Schmierungsprobleme für die sich bewegende Kolbeneinrichtung ver- ringert, da sich insbesondere eine Wasserschmierung der Kolbeneinrichtung verwenden läßt.It is also possible for a heat transfer medium such as steam to relax in the expansion space. This heat transfer medium is preferably generated outside the expansion space or energy is supplied to the heat transfer medium outside the expansion space. For example, superheated steam is injected into an expansion room; the steam can relax there and cause a linear movement of the piston device. This in turn can be used to generate electricity. The heat generation and pressure increase takes place outside the expansion space. Various methods can be used to generate the heat transfer medium or to heat the heat transfer medium; for example, heating can take place via concentrated solar radiation, the solar radiation being concentrated via solar collectors. Heating or heat transfer can also take place via the combustion of solid, liquid or gaseous fuels. The heated heat transfer medium can be temporarily stored in a pressure vessel. According to the invention, this enables a free-piston steam engine to be designed which has a higher electrical efficiency than conventional steam engines. When using steam, for example, as the medium expanding in the expansion space, lubrication problems for the moving piston device are reduced, since in particular water lubrication of the piston device can be used.
Günstig ist es, wenn eine Rückkühlungseinrichtung von aus dem Expansionsraum abgeführten Medium vorgesehen ist. Dadurch läßt sich ein Kreislauf für das Wärmeträgermedium bezüglich der Zuführung zu der Freikolbenvorrichtung und der Abführung von der Freikolbenvorrichtung realisieren. Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:It is expedient if a recooling device is provided for the medium discharged from the expansion space. This allows a cycle for the heat transfer medium with respect to the supply to the free piston device and the discharge from the free piston device to be realized. The following description of preferred embodiments serves in conjunction with the drawing to explain the invention in more detail. Show it:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb, welche als Freikolben-Verbrennungsvorrichtung ausgebildet ist;Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a free piston device according to the invention with an electric linear drive, which is designed as a free piston combustion device;
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Figure 2 shows a second embodiment of a device according to the invention;
Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Figure 3 shows a third embodiment of a device according to the invention;
Figur 4 schematisch eine Brennkammer;Figure 4 schematically shows a combustion chamber;
Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;Figure 5 shows a fourth embodiment of a device according to the invention;
Figur 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung undFigure 6 shows a fifth embodiment of a device according to the invention and
Figur 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung, welche als Freikolben-Dampfmaschine ausgebildet ist. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung (Freikolben-Verbrennungsvorrichtung) mit elektrischem Lineartrieb, welche in Figur 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt als Kolbenaufnahme 12 einen Zylinder mit einem Zylindergehäuse 14, in dessen Innenraum 16 eine erste Kolbeneinrichtung 18 und eine zu dieser ersten Kolbeneinrichtung 18 beab- standete zweite Kolbeneinrichtung 20 linear verschieblich sind.FIG. 7 shows a sixth exemplary embodiment of a device according to the invention, which is designed as a free-piston steam engine. A first exemplary embodiment of a free-piston device (free-piston combustion device) according to the invention with an electric linear drive, which is designated as a whole in FIG. 1 by 10, comprises as the piston receptacle 12 a cylinder with a cylinder housing 14, in the interior 16 of which a first piston device 18 and a first one Piston device 18 spaced apart second piston device 20 are linearly displaceable.
Die beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 sind dabei zumindest bezüglich ihrer äußeren Gestalt im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 22 des Zylinders 12 ausgebildet. Die Achsen der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 fallen mit der Symmetrieachse 22 zusammen.The two piston devices 18 and 20 are essentially rotationally symmetrical with respect to an axis of symmetry 22 of the cylinder 12, at least with regard to their outer shape. The axes of the two piston devices 18 and 20 coincide with the axis of symmetry 22.
Die erste Kolbeneinrichtung 18 umfaßt einen ersten Kolben 24a und einen beabstandet zu diesem ersten Kolben angeordneten zweiten Kolben 24b, wobei diese beiden Kolben 24a und 24b über eine Kolbenstange 26 fest und insbesondere starr miteinander verbunden sind. Dadurch ist ein Kolbenpaar gebildet.The first piston device 18 comprises a first piston 24a and a second piston 24b arranged at a distance from this first piston, these two pistons 24a and 24b being fixedly and in particular rigidly connected to one another via a piston rod 26. A pair of pistons is thereby formed.
Die zweite Kolbeneinrichtung 20 ist gleich aufgebaut mit einem ersten Kolben 28a, einem zweiten Kolben 28b und einer Kolbenstange 30, welche zwischen diesen beiden Kolben 28a und 28b angeordnet ist.The second piston device 20 is constructed identically with a first piston 28a, a second piston 28b and a piston rod 30 which is arranged between these two pistons 28a and 28b.
Der zweite Kolben 24b der ersten Kolbeneinrichtung 18 ist dem zweiten KolbenThe second piston 24b of the first piston device 18 is the second piston
28b der zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugewandt angeordnet. Der erste Kolben 24a der ersten Kolbeneinrichtung 18 ist einer stirnseitigen Wand 32 des Zylinders 12 zugewandt angeordnet, während der erste Kolben 28a der zweiten Kolbeneinrichtung 20 einer der stirnseitigen Wand 32 des Zylinders 12 gegenüberliegenden Wand 34 zugewandt ist.28b arranged facing the second piston device 20. The first piston 24a of the first piston device 18 is an end wall 32 of the Cylinder 12 is arranged facing, while the first piston 28a of the second piston device 20 is facing a wall 34 opposite the front wall 32 of the cylinder 12.
Zwischen den jeweiligen ersten Kolben 24a, 28a der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 und der zugewandten Zylinderwand 32 bzw. 34 ist als Expansionskammer eine Brennkammer mit Brennraum 36, 38 gebildet, in welcher Brenngase expandierbar sind, um die zugeordnete Kolbeneinrichtung (für den Brennraum 36 die erste Kolbeneinrichtung 18 und für den Brennraum 38 die zweite Kolbeneinrichtung 20) anzutreiben.Between the respective first pistons 24a, 28a of the two piston devices 18, 20 and the facing cylinder wall 32 or 34, a combustion chamber with a combustion chamber 36, 38 is formed as an expansion chamber, in which combustion gases are expandable by the associated piston device (for the combustion chamber 36 the to drive the first piston device 18 and the second piston device 20) for the combustion chamber 38.
Die Abmessungen der jeweiligen Brennkammern mit Brennräumen 36 und 38 sind dabei durch den Kolbenhub der jeweiligen Kolbeneinrichtungen 18 und 20 bestimmt, das heißt insbesondere Volumen und Oberfläche sind durch den Umkehrpunkt der Kolbenbewegung der ersten Kolben 24a bzw. 28a bestimmt.The dimensions of the respective combustion chambers with combustion chambers 36 and 38 are determined by the piston stroke of the respective piston devices 18 and 20, that is to say in particular the volume and surface are determined by the reversal point of the piston movement of the first pistons 24a and 28a.
Die Freikolben-Verbrennungsvorrichtung umfaßt einen als Ganzes mit 40 bezeichneten elektrischen Lineartrieb, welcher einen ersten Teil 42 umfaßt, welcher der ersten Kolbeneinrichtung 18 zugeordnet ist und einen zweiten Teil 44 umfaßt, weicher der zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugeordnet ist.The free-piston combustion device comprises an electric linear drive, designated as a whole by 40, which comprises a first part 42, which is assigned to the first piston device 18 and a second part 44, which is assigned to the second piston device 20.
Der entsprechende Teil 42 bzw. 44 des elektrischen Lineartriebs 40 wiederum umfaßt eine Läufervorrichtung 46, welche an der jeweiligen Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 angeordnet ist. Diese Läufervorrichtung 46 wird mit der Kolbenein- richtung 18 bzw. 20 bewegt. Über eine Statorvorrichtung 48, welche an dem Zylinder 12 außerhalb des Zylindergehäuses 14 angeordnet ist und jeweils der Läufervorrichtung 46 der ersten Kolbeneinrichtung 18 bzw. zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugeordnet ist, lassen sich dann Spannungen induzieren, um so elektrische Energie zu generieren.The corresponding part 42 or 44 of the electric linear drive 40 in turn comprises a rotor device 46 which is arranged on the respective piston device 18 or 20. This rotor device 46 is moved with the piston device 18 or 20. Via a stator device 48, which is arranged on the cylinder 12 outside the cylinder housing 14, and in each case the Voltages are assigned to the first piston device 18 or the second piston device 20, voltages can then be induced in order to generate electrical energy.
Die Läufervorrichtung 46 umfaßt Magnetelemente 50 und Flußleitelemente 52, welche auf der zugeordneten Kolbenstange 26 bzw. 30 alternierend angeordnet sind.The rotor device 46 comprises magnetic elements 50 and flux guide elements 52, which are arranged alternately on the associated piston rod 26 or 30.
Bei den Magnetelementen 50 kann es sich um Permanentmagnetelemente handeln, die insbesondere scheibenförmig rotationssymmetrisch um die Achse 22 ausgebildet sind. Es kann sich dabei auch um Elektromagnetelemente handeln, die entsprechende insbesondere konzentrisch um die Achse 22 angeordnete Windungen umfassen. Es muß dann eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen werden, um zu diesen Elektromagneten Energie übertragen zu können. Dies kann beispielsweise induktiv erfolgen oder über Schleifringe.The magnetic elements 50 can be permanent magnet elements which are in particular disc-shaped, rotationally symmetrical about the axis 22. These can also be electromagnetic elements which comprise corresponding windings arranged in particular concentrically about the axis 22. A corresponding device must then be provided in order to be able to transmit energy to these electromagnets. This can be done inductively, for example, or via slip rings.
Ein Flußleitelement 52 ist ebenfalls scheibenförmig hergestellt und aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit hergestellt. Verwendbar sind beispielsweise Eisen oder magnetisch leitfähige Pulververbundwerkstoffe.A flux guide 52 is also disc-shaped and made of a material with high magnetic conductivity. For example, iron or magnetically conductive powder composite materials can be used.
Vorzugsweise sind die Magnetelemente 50, insbesondere wenn es sich um Permanentmagnete handelt, und die Flußieitelemente 52 so ausgebildet, daß sie eine Zentralöffnung aufweisen, mit welcher sie bei der Herstellung er entsprechenden Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 auf die zugeordnete Kolbenstange 26 bzw. 30 aufschiebbar sind. Die Magnetelemente 50 sind so ausgebildet und insbesondere so magnetisiert, daß in einem Flußleitelement 52 die Feldlinien der benachbarten Magnetelemente 50 konzentriert werden, um somit die Leistungsdichte des Systems zu erhöhen. Insbesondere sind die Magnetelemente 50 derart parallel ange- ordnet, daß gleiche Pole einander zuweisen.Preferably, the magnetic elements 50, in particular if they are permanent magnets, and the flux-conducting elements 52 are designed such that they have a central opening with which they can be pushed onto the associated piston rod 26 or 30 during the production of the corresponding piston device 18 or 20 , The magnetic elements 50 are designed and in particular magnetized in such a way that the field lines of the adjacent magnetic elements 50 are concentrated in a flux guiding element 52, in order thus to increase the power density of the system. In particular, the magnetic elements 50 are arranged in parallel in such a way that the same poles point to one another.
Es kann auch vorgesehen sein, daß eine Außenfläche der jeweiligen Läufervorrichtung 46 so ausgebildet ist, daß sie in einem die Achse 22 umfassenden Querschnitt eine einer Zylinderwand zuweisende Innenseite zahnförmig ausge- staltet ist. Die Läufervorrichtung 46 weist durch eine solche Zahnstruktur wechselnde magnetische Leitfähigkeiten auf, so daß hierüber ein Vortrieb für eine Kolbeneinrichtung erzeugbar ist.It can also be provided that an outer surface of the respective rotor device 46 is designed such that it is tooth-shaped in a cross section comprising the axis 22 of an inner side facing a cylinder wall. The rotor device 46 has changing magnetic conductivities due to such a tooth structure, so that a propulsion for a piston device can be generated.
Die Statorvorrichtung 48 umfaßt Haupt-Ringwicklungen 54, welche um eine Außenwand des Zylinders 12 angeordnet ist. In diesen Ringwicklungen wird bei relativer Bewegung der magnetisierten Läufervorrichtung 46 eine Spannung induziert, wodurch elektrische Energie auskoppelbar ist. Es ist dann eine Stromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt, welche auf dem Prinzip der Freikolbenführung (lineare Beweglichkeit der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20) beruht.The stator device 48 comprises main ring windings 54, which is arranged around an outer wall of the cylinder 12. A voltage is induced in these ring windings upon relative movement of the magnetized rotor device 46, as a result of which electrical energy can be coupled out. A power generation device is then provided which is based on the principle of free piston guidance (linear mobility of the two piston devices 18 and 20).
Der Hub der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ist steuerbar und/oder regelbar über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56. Es läßt sich dabei insbesondere eine derartige Steuerung/Regelung durchführen, daß zu jedem Zeitpunkt der Ort der Kolbeneinrichtungen 18, 20 festgelegt ist. Dadurch läßt sich nach Bedarf der Umkehrpunkt der Kolbenbewegung des ersten Kolbens 24a bzw. 28a einstellen, um so wiederum die Abmessungen der jeweiligen Brennkammern 36 und 38 einstellen zu können. Durch eine entsprechende Steuerung/Regelung des Lineartriebs 40 kann damit der Kolbenhub in Abhängigkeit des Lastzustandes eingestellt werden, die Verdichtung eingestellt werden und die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtungen 18, 20 eingestellt werden, und so je nach Lastzustand die Brennkammer 36 bzw. 38 optimiert eingestellt werden. Insbesondere kann dann auch das Volumen der Brennräume 36, 38 und die jeweiligen Oberflächen dieser Brennräume 36 und 38 an die Anwendung angepaßt werden. Über diese örtlich-zeitliche Einstellung des Kolbenhubs (Position, Verdichtung, Geschwindigkeit) kann auch eine Anpassung an den Brennstoff durchgeführt werden, das heißt es kann eine Kolbenhubstrecke und Verdichtung eingestellt werden, je nachdem ob beispielsweise Diesel oder Pflanzenöl (Dieselprinzip) oder Benzin, Erdgas oder Wasserstoff (Otto-Prinzip) als Brennstoff eingesetzt wird. (Die erforderlichen Zündeinrich- tungen sind in der Zeichnung nicht gezeigt.)The stroke of the two piston devices 18 and 20 can be controlled and / or regulated via a control and / or regulating device 56. In particular, such a control can be carried out that the location of the piston devices 18, 20 is fixed at any time. As a result, the reversal point of the piston movement of the first can be used as required Adjust pistons 24a and 28a so that the dimensions of the respective combustion chambers 36 and 38 can be adjusted. Appropriate control of the linear drive 40 allows the piston stroke to be set as a function of the load state, the compression to be set and the speed of the piston devices 18, 20 to be set, and thus the combustion chamber 36 or 38 to be set optimally depending on the load state. In particular, the volume of the combustion chambers 36, 38 and the respective surfaces of these combustion chambers 36 and 38 can then be adapted to the application. This local time-dependent adjustment of the piston stroke (position, compression, speed) can also be used to adapt to the fuel, i.e. a piston stroke distance and compression can be set, depending on whether for example diesel or vegetable oil (diesel principle) or gasoline, natural gas or hydrogen (Otto principle) is used as fuel. (The necessary ignition devices are not shown in the drawing.)
Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung 48 und gegebenenfalls in der Läufervorrichtung 46, das heißt durch Steuerung und/oder Regelung dieser Ströme läßt sich somit die zugeordnete Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 in ihrer Linearverschieblichkeit beeinflussen, um den Ort der Umkehrpunkte der Kolbenbewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 bei den außenliegenden Brennräumen 36 und 38 genau festlegen zu können.By specifically specifying currents in the stator device 48 and possibly in the rotor device 46, that is to say by controlling and / or regulating these currents, the associated piston device 18 or 20 can thus be influenced in its linear displaceability in order to determine the location of the reversal points of the piston movement to be able to precisely define the two piston devices 18, 20 in the external combustion chambers 36 and 38.
Dadurch läßt sich beispielsweise bei Vollast, bei der eine große Ansaugmenge an Luft für die Brennräume 36 und 38 erforderlich ist, ein entsprechend großer Kolbenhub einstellen, während bei Teillastbetrieb mit reduziertem Ansaugvolumen ein verringerter Hub einstellbar ist. Die beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 sind so angeordnet und ausgebildet, daß diese gegenläufig sind. Zwischen ihren zweiten Kolben 24b und 28b ist ein Rückfederraum 58 gebildet, in dem ein elastisches Element oder ein kompressibles Medium aufgenommen ist.This makes it possible, for example, to set a correspondingly large piston stroke at full load, in which a large amount of air is required for the combustion chambers 36 and 38, while a reduced stroke can be set in the case of part-load operation with a reduced intake volume. The two piston devices 18 and 20 are arranged and designed so that they are in opposite directions. A spring-back space 58 is formed between its second pistons 24b and 28b, in which an elastic element or a compressible medium is accommodated.
Beispielsweise kann in dem Rückfederraum 58 eine Kompressionsfeder angeordnet sein, welche die Energie zumindest teilweise aufnimmt, die während eines Verbrennungsarbeitstaktes nicht von dem Lineartrieb 40 ausgekoppelt wurde. Diese gespeicherte Energie kann zum Verdichten des Brennstoff-Luft- Gemisches bei einem 2-Takt- Betrieb oder zum Ausstoßen der Abgase bei einem 4-Takt- Betrieb verwendet werden.For example, a compression spring can be arranged in the spring-back space 58, which at least partially absorbs the energy that was not decoupled from the linear drive 40 during a combustion work cycle. This stored energy can be used to compress the fuel-air mixture in a 2-stroke operation or to discharge the exhaust gases in a 4-stroke operation.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß in dem Rückfederraum ein körn- pressibles Fluid und insbesondere Gas wie Luft aufgenommen ist, welches eben die Energie aufnimmt und wieder abgibt.In particular, provision can be made for a granularly compressible fluid and in particular gas such as air to be accommodated in the spring-back space, which fluid just absorbs and releases the energy again.
Es ist dabei vorgesehen, daß der Druck in dem Rückfederraum 58 über ein oder mehrere Ventile 60 steuerbar und/oder regelbar ist. Die Steuerung und/oder Regelung des oder der Ventile 60 erfolgt dabei vorzugsweise über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56. Ein solcher Rückfederraum 58, in welchem der Druck steuerbar ist, läßt sich auch dazu verwenden, eine Pumpe bezüglich der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 auszubilden. Durch entsprechende Ventile 100 und 102 (siehe Figur 2) läßt sich eingesaugte Luft gesteuert in die Brennräume 36 und 38 pumpen. Bei entsprechend zeitgesteuertem Schließen der Ventile 100 und 102, das heißt Abkopplung von der Umgebung kann die Rückfederfunktion (Energiespeicherfunktion) gewährleistet werden. Diese Steuerung erfolgt dann über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56 synchron mit der Taktung der Verbrennung in den Brennräumen 36 und 38 (vergleiche Figur 2 mit den dortigen Brennräumen 36' und 38').It is provided that the pressure in the resilience space 58 can be controlled and / or regulated via one or more valves 60. The control and / or regulation of the valve or valves 60 is preferably carried out via the control and / or regulating device 56. Such a spring-back chamber 58, in which the pressure can be controlled, can also be used to pump a pump with respect to the two piston devices 18 and 20 to train. Appropriate valves 100 and 102 (see FIG. 2) allow controlled air to be pumped into combustion chambers 36 and 38. With correspondingly time-controlled closing of the valves 100 and 102, that is to say decoupling from the The spring back function (energy storage function) can be guaranteed in the environment. This control then takes place via the control and / or regulating device 56 synchronously with the timing of the combustion in the combustion chambers 36 and 38 (compare FIG. 2 with the combustion chambers 36 'and 38' there).
Jeder Brennraum 36, 38 ist mit einem elektrisch steuerbaren Auslaßventil 62 und einem insbesondere elektrisch steuerbaren Einlaßventil 64 versehen, wobei eine entsprechende Steuerung über die Steuerungs- und/oder Regelungs- einrichtung 56 erfolgt. Dadurch läßt sich das Ansaugen von Brennraumgasen und das Abführen von Verbrennungsprodukten zeitlich gezielt steuern und insbesondere synchronisiert steuern beispielsweise im Zusammenhang mit der elektrischen Ansteuerung des Lineartriebs 40 über eine entsprechende elektrische Ansteuerungsvorrichtung 66 und einer eventuellen Pumpenfunktion des Rückfederraums 58.Each combustion chamber 36, 38 is provided with an electrically controllable outlet valve 62 and, in particular, an electrically controllable inlet valve 64, with a corresponding control taking place via the control and / or regulating device 56. This allows the intake of combustion chamber gases and the removal of combustion products to be controlled in a timely manner and, in particular, to be synchronized, for example in connection with the electrical actuation of the linear drive 40 by means of a corresponding electrical actuation device 66 and a possible pump function of the resilience space 58.
Eine in den entsprechenden Brennraum 38 führende Saugleitung 68 ist mit einem Lader 70 verbunden. Über ein Einlaßventil 64 ist diese Saugleitung 68 an den Brennraum 38 gekoppelt.A suction line 68 leading into the corresponding combustion chamber 38 is connected to a charger 70. This suction line 68 is coupled to the combustion chamber 38 via an inlet valve 64.
Über das Auslaßventil 62 führt eine Abgasleitung 72 zu dem Lader 70. Dieser selber weist eine Zuführung 74 für Ansaugiuft auf und eine Abführung 76 für Abgase auf.An exhaust pipe 72 leads to the charger 70 via the outlet valve 62. The charger 70 itself has a supply 74 for intake air and a discharge 76 for exhaust gases.
Eine entsprechende Abgasleitung 78 und eine entsprechende Saugleitung 80 führt von dem Lader 70 zu dem anderen Brennraum 36, wobei die Einkopplung bzw. Auskopplung dort auf die gleiche Weise ausgebildet ist wie anhand des anderen Brennraums 38 beschrieben.A corresponding exhaust pipe 78 and a corresponding suction pipe 80 lead from the charger 70 to the other combustion chamber 36, with the coupling or decoupling is designed there in the same way as described with reference to the other combustion chamber 38.
Bei dem Lader 70 handelt es sich insbesondere um einen Druckwelleniader (Comprex-Lader), bei dem die Energie des Abgasstromes von den Brennräumen 36 und 38 genutzt wird, um die Ladeluft (angesaugte Luft) zu verdichten. Bei einem solchen Druckwellenlader saugen Druckwellen und Saugwellen der pulsierenden Abgase Frischluft an und verdichten diese. Diese Verdichtung erfolgt dabei in direkter Berührung mit den Abgasen.The charger 70 is in particular a pressure wave charger (Comprex charger), in which the energy of the exhaust gas stream is used by the combustion chambers 36 and 38 to compress the charge air (intake air). In such a pressure wave supercharger, pressure waves and suction waves suck in and compress fresh air from the pulsating exhaust gases. This compression takes place in direct contact with the exhaust gases.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich eine konstant oszillierende Verschiebungsbewegung und insbesondere kollinear gegenläufige Verschiebungsbewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ausbilden. Dadurch wiederum läßt sich eine konstante Oszillation der abgeführten Abgase erreichen, so daß der Gaswechsel über einen Lader steuerbar und/oder regelbar ist. Der Vorteil eines Comprex-Laders ist, daß er nur einen sehr geringen Eigenenergieaufwand aufweist.With the device according to the invention, a constantly oscillating displacement movement and, in particular, a collinearly opposing displacement movement of the two piston devices 18 and 20 can be formed. This in turn allows a constant oscillation of the discharged exhaust gases to be achieved, so that the gas exchange can be controlled and / or regulated via a charger. The advantage of a Comprex loader is that it requires very little energy.
Das Gesamtsystem des Laders 70 und bewegliche Kolbeneinrichtungen 18 und 20 mit ihren jeweiligen Brennräumen 36 und 38 läßt sich aufgrund der konstanten Periodendauer für die oszillierende Bewegung dieser Kolbeneinrichtungen 18 und 20 genau auf einen optimalen Betriebspunkt auslegen, auf den wiederum der Lader 70 ausgelegt sein kann.The overall system of the charger 70 and movable piston devices 18 and 20 with their respective combustion chambers 36 and 38 can be designed precisely for an optimal operating point, which in turn can be designed for the charger 70, due to the constant period for the oscillating movement of these piston devices 18 and 20.
Ist ein Lader 70 vorhanden, dann ist die oben beschriebene Variante, bei welcher der Rückfederraum 58 als Pumpe eingesetzt wird, nicht verwirklicht. Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß um den Zylinder jeweils den beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 zugeordnet eine oder mehrere Nebenwicklungen 82 sitzen. Diese sind elektrisch getrennt von den Haupt-Ringwicklungen 54 der jeweiligen Statorvorrichtung 48. Die Nebenwicklungen 82 sind dabei beispiels- weise um die Haupt-Ringwicklungen 54 angeordnet oder neben dieser liegend (in axialer Verlängerung einer Ringwicklungsachse der Haupt-Ringwicklungen 54).If a charger 70 is present, then the variant described above, in which the spring-back space 58 is used as a pump, is not implemented. It can also be provided that one or more secondary windings 82 are associated with the two piston devices 18, 20, respectively, around the cylinder. These are electrically separated from the main ring windings 54 of the respective stator device 48. The secondary windings 82 are arranged, for example, around the main ring windings 54 or lying next to them (in the axial extension of a ring winding axis of the main ring windings 54).
Über solche Nebenwicklungen 82 läßt sich ein weiterer Strom auskoppeln, um beispielsweise eine 12V/14V- oder ein 36V/42V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit Strom zu versorgen. Entsprechend ist die Windungsanzahl angepaßt. Vorzugsweise ist solchen Nebenwicklungen 82 ein Gleichrichter nachgeschaltet, um entsprechend einen gleichgerichteten Strom erzeugen zu können.A further current can be coupled out via such secondary windings 82, for example to supply a 12V / 14V or a 36V / 42V electrical system of a motor vehicle with current. The number of turns is adapted accordingly. Such secondary windings 82 are preferably followed by a rectifier in order to be able to generate a rectified current accordingly.
Über Nebenwicklungen 82 (es kann sich dabei um die gleichen Nebenwicklungen handeln, welche zur Auskopplung eines zusätzlichen Stromes dient oder um eine getrennt von dieser vorgesehene) läßt sich mittels einer Synchronisierungsvorrichtung eine Synchronisierung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 in ihrer Linearbewegung im Zylinder 12 realisieren. Die Syn- chronisierungsvorrichtung ist dabei zumindest bezüglich ihres Steuerungs- und Regelungsteils von der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56 umfaßt.Via secondary windings 82 (these can be the same secondary windings that are used to decouple an additional current or one provided separately therefrom), a synchronization of the two piston devices 18, 20 in their linear movement in the cylinder 12 can be achieved by means of a synchronization device. The synchronization device is included in the control and / or regulating device 56, at least with regard to its control and regulation part.
Durch gezieltes Einschalten und Ausschalten der Nebenwicklungen 82 läßt sich je nach Lage der zugeordneten Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ein Strom erzeugen bzw. beaufschlagen, über welchen die zugeordnete Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 abbremsbar bzw. beschleunigbar ist. Dadurch läßt sich eine Asyn- chronität in der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 ausgleichen, indem insbesondere die zu schnell laufende Kolbeneinrichtung abgebremst wird.By switching the secondary windings 82 on and off in a targeted manner, depending on the position of the associated piston devices 18 and 20, a current can be generated or applied via which the assigned piston device 18 or 20 can be braked or accelerated. Asynchrony in the movement of the two piston devices 18, 20 can thereby be compensated for, in particular by braking the piston device which is running too fast.
Beim Synchronlauf können diese Nebenwicklungen 82 dann zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden.During synchronous operation, these secondary windings 82 can then be used to generate electricity.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die jeweiligen Nebenwicklungen 82, welche den beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 zugewandt sind, elektrisch miteinander verbunden sind. Dies ist in Figur 1 durch das Bezugszeichen 84 angedeutet. Es kann dann ein Ausgleichsstrom zwischen den jeweiligen Nebenwicklungen 82 fließen, welcher selbstregelnd die Bewegungen der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 synchronisiert. Dabei wird die schnellere Kolbeneinrichtung abgebremst und die langsamere beschleunigt. Ein Schwellenwert für diesen Ausgleichsstrom selber kann beispielsweise über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56 vorgegeben werden.In particular, it can be provided that the respective secondary windings 82, which face the two piston devices 18 and 20, are electrically connected to one another. This is indicated in FIG. 1 by reference number 84. A compensating current can then flow between the respective secondary windings 82, which self-regulatingly synchronizes the movements of the two piston devices 18 and 20. The faster piston device is braked and the slower accelerated. A threshold value for this compensating current itself can be specified, for example, via the control and / or regulating device 56.
Es kann noch vorgesehen sein, daß um die Statorvorrichtung 48 eine Kühl- kanäle 88 umfassende Kühlvorrichtung 86 angeordnet ist, um die aktiven Komponenten der Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit Lineartrieb 10 zu kühlen; zu diesen aktiven Komponenten gehören insbesondere die Kolbeneinrichtungen 18, 20, der Zylinder 12 und die Haupt-Ringwicklungen 54.It can also be provided that a cooling device 86 comprising cooling channels 88 is arranged around the stator device 48 in order to cool the active components of the free-piston combustion device with linear drive 10; These active components include in particular the piston devices 18, 20, the cylinder 12 and the main ring windings 54.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß aus der entsprechenden Kühlvorrichtung 86 Wärme ausgekoppelt wird, und diese in wärmetechnischen Anwendungen zum Beispiel für eine Fahrzeugheizung oder für ein Blockheizkraftwerk genutzt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert wie folgt:It can also be provided that heat is extracted from the corresponding cooling device 86 and that this is used in thermal applications, for example for a vehicle heater or for a combined heat and power plant. The device according to the invention functions as follows:
Über den Lineartrieb 40 werden durch entsprechende Strombeaufschlagung bestimmte Umkehrpunkte (UT und OT) der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 eingestellt, um somit das Volumen und die Oberfläche der jeweiligen Brennräume 36 und 38 festzulegen. Weiterhin wird die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtungen 18, 20 festgelegt und insgesamt die Verdichtung. Diese Einstellung erfolgt in Abhängigkeit von der Last (Teillast oder Vollast), von dem Brennstoff (Benzin, Erdgas, Wasserstoff, Diesel, Pflanzenöl usw.) und eventuellen weiteren externen Parametern.Certain reversal points (UT and OT) of the two piston devices 18, 20 are set via the linear drive 40 by appropriate current application, in order thus to determine the volume and the surface of the respective combustion chambers 36 and 38. Furthermore, the speed of the piston devices 18, 20 and overall the compression are determined. This setting depends on the load (partial load or full load), the fuel (gasoline, natural gas, hydrogen, diesel, vegetable oil, etc.) and any other external parameters.
Es kann vorgesehen sein, daß für den Start der Vorrichtung eine elektrische Vorheizung erfolgt und auch das Kühlwasser der Kühleinrichtung 86 vorgeheizt wird. Diese Vorheizung kann dabei über den Lineartrieb 40 erfolgen, indem entsprechende Wicklungen, beispielsweise die Haupt-Ringwicklungen 54 als Heizelemente verwendet werden. Es können aber auch eigene Heizspulen vorgesehen sein.It can be provided that electrical preheating takes place for the start of the device and the cooling water of the cooling device 86 is also preheated. This preheating can take place via the linear drive 40 by using corresponding windings, for example the main ring windings 54, as heating elements. However, separate heating coils can also be provided.
Durch die Kolbenpaare 24a, 24b bzw. 28a, 28b der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ist für jede Kolbeneinrichtung 18, 20 eine Abstützung erreicht, das heißt die Kolben 24a, 24b bzw. 28a, 28b der Kolbenpaare lassen sich im wesentlichen verkippungsfrei linear führen.The piston pairs 24a, 24b and 28a, 28b of the two piston devices 18 and 20 provide support for each piston device 18, 20, that is to say the pistons 24a, 24b and 28a, 28b of the piston pairs can be guided linearly without tilting.
Darüber hinaus dienen die Kolben 24b und 28b auch zur Abdichtung gegenüber dem Rückfederraum 58. Durch den als Lineartrieb sind die Umkehrpunkte der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 (örtlich und zeitlich) genau vorgebbar, und somit ist im Teillastbetrieb für die Luftzuführung auch keine Drosselklappe notwendig, die sonst für Drosselverluste verantwortlich ist.In addition, the pistons 24b and 28b also serve to seal against the resilience space 58. As a linear drive, the reversal points of the movement of the two piston devices 18, 20 are (local and temporal) can be precisely specified, and therefore no throttle valve, which is otherwise responsible for throttle losses, is necessary for the air supply in part-load operation.
Durch die Ventile 62 und 64 für die jeweiligen Brennräume 36, 38 läßt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen der Abgase gezielt steuern. Dadurch läßt sich die Effizienz des Gesamtsystems verbessern und die Abgasqualität verbessern; durch genaue Einstellung der Steuerzeiten über Zeitpunkte und der Dauer hinsichtlich des Gaswechsels (Durchströmung durch die Ventile 62, 64) kann eine genaue Anpassung zwischen den einzelnen zeitkritischen Vorgängen stattfinden. Da auch die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtungen steuerbar bzw. regelbar ist, und zwar auch während des Expansionsvorgangs, ist die Entstehung von Abgasen beeinflußbar.The intake of air and the removal of the exhaust gases can be controlled in a targeted manner by means of the valves 62 and 64 for the respective combustion chambers 36, 38. This can improve the efficiency of the overall system and improve the exhaust gas quality; an exact adjustment between the individual time-critical processes can take place through precise setting of the control times via points in time and the duration with regard to the gas change (flow through the valves 62, 64). Since the speed of the piston devices can also be controlled or regulated, even during the expansion process, the formation of exhaust gases can be influenced.
Insbesondere ist dabei das Einlaßventil 64 so angeordnet und ausgebildet, daß angesaugte Luft und resultierende Gasströme längs inneren Zylinderwänden entlanggeführt werden, um so einen optimierten Spülvorgang für den Gaswechsel zu erhalten (siehe Figur 4). Dazu weist beispielsweise das Einlaßventil 64 einen entsprechend ausgestalteten Führungsteller 88 auf, welcher für eine solche Entlangströmung sorgt. Dies wird insbesondere im 2 -Takt- Betrieb benötigt, um eine Umkehrspülung im Brennraum zu erreichen.In particular, the inlet valve 64 is arranged and designed such that sucked-in air and resulting gas flows are guided along inner cylinder walls in order to obtain an optimized purging process for the gas exchange (see FIG. 4). For this purpose, the inlet valve 64 has, for example, a correspondingly designed guide plate 88 which ensures such a flow along. This is particularly necessary in 2-stroke operation to achieve reverse purging in the combustion chamber.
Das Ansaugen und Verdichten von Luft und das Ausstoßen von Abgasen wird vorzugsweise über einen Druckwellenlader 70 durchgeführt.The intake and compression of air and the exhaust of exhaust gases is preferably carried out via a pressure wave charger 70.
Während der Bewegung der Kolbeneinrichtungen 18, 20 wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Läufervorrichtung 46 und der Statorvorrichtung 48 in letzterer eine Spannung induziert, so daß elektrische Energie generiert wird (das heißt mechanische Energie teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei wiederum die mechanische Energie aus einer teilweisen Umwandlung in chemische Energie aufgrund der Verbrennung herrührt).During the movement of the piston devices 18, 20 due to the relative movement between the rotor device 46 and the stator device 48 induces a voltage in the latter, so that electrical energy is generated (i.e. mechanical energy is partially converted into electrical energy, the mechanical energy in turn resulting from a partial conversion into chemical energy due to the combustion).
Durch den Rückfederraum 58 kann Energie aufgenommen werden, die während des Verbrennungs-Arbeitstaktes nicht vom Lineartrieb 40 ausgekoppelt wird.Energy can be absorbed by the spring-back space 58, which is not decoupled from the linear drive 40 during the combustion work cycle.
Die Statorvorrichtung 48 ist über die Kühlvorrichtung 86 gekühlt. Die Kühlvorrichtung 86 kühlt dabei auch weitere Teile des Zylinders 12 und beispielsweise die Kolbeneinrichtungen 18 und 20.The stator device 48 is cooled via the cooling device 86. The cooling device 86 also cools further parts of the cylinder 12 and, for example, the piston devices 18 and 20.
Die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b sind beispielsweise über eine einfache Plan- schschmierung geschmiert, das heißt es ist keine Ölpumpe erforderlich. Die Kolben bewegen sich dann in einem Ölbad, welches durch die Bewegung durcheinandergewirbelt wird, um eine ausreichende Schmierölversorgung zu gewährleisten.The pistons 24a, 24b, 28a, 28b are lubricated, for example, by simple splash lubrication, which means that no oil pump is required. The pistons then move in an oil bath which is swirled together by the movement in order to ensure an adequate supply of lubricating oil.
Die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b lassen sich mit einer minimierten dem Zylinder 12 zugewandten Seitenfläche herstellen, das heißt die Kolbenhemden lassen sich kurz ausgestalten, da entsprechend Kolbenpaare mit gegenseitiger Ab- stützungswirkung vorgesehen sind. Dadurch lassen sich Reibungsverluste bei der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 minimieren. Dadurch wiederum lassen sich die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b auch aus nichtmetallischen Werkstoffen wie Keramikwerkstoffen oder aus Graphit oder beispielsweise Glaskohlenstoff herstellen. Solche Kolben können ohne Schmierung auskommen. Diese Ausbildung ist deshalb möglich, da durch die gegenseitige Abstützung der Kolbenpaare im wesentlichen keine Querkräfte auftreten.The pistons 24a, 24b, 28a, 28b can be produced with a minimized side surface facing the cylinder 12, that is to say the piston shirts can be made short, since correspondingly pairs of pistons with mutual support action are provided. Friction losses during the movement of the two piston devices 18 and 20 can thereby be minimized. As a result, the pistons 24a, 24b, 28a, 28b can also be produced from non-metallic materials such as ceramic materials or from graphite or, for example, glassy carbon. Such pistons can do without lubrication. This design is possible because essentially no transverse forces occur due to the mutual support of the piston pairs.
Durch die erfindungsgemäße Läufervorrichtung 46 mit alternierend angeordneten Magnetelementen 50 und Flußleitelementen 52 läßt sich eine hohe Leistungsdichte des Systems erreichen, ohne daß Magnete mit hoher Remanenz- induktion eingesetzt werden müssen. Insbesondere lassen sich hohe Leistungsdichten erzielen, wenn die Polteilung in der Läufervorrichtung und der Statorvorrichtung unterschiedlich ist.A high power density of the system can be achieved by the rotor device 46 according to the invention with alternating magnet elements 50 and flux guide elements 52, without having to use magnets with high remanence induction. In particular, high power densities can be achieved if the pole pitch in the rotor device and the stator device is different.
Der Lineartrieb 40 selber kann einphasig, zweiphasig, dreiphasig oder multi- phasig aufgebaut sein.The linear drive 40 itself can have a single-phase, two-phase, three-phase or multi-phase structure.
Die Haupt-Ringwicklungen 54 der entsprechenden Statorvorrichtung 48 können beispielsweise in Eisenpakete eingebettet sein, um eine Feldführung zu erreichen.The main ring windings 54 of the corresponding stator device 48 can be embedded in iron packets, for example, in order to achieve field guidance.
Durch die Synchronisierungsvorrichtung lassen sich die beiden gegenläufig beweglichen Kolbeneinrichtungen 18, 20 miteinander synchronisieren, wobei über einen Ausgleichsstrom insbesondere eine Selbstregelung durchführbar ist.By means of the synchronization device, the two piston devices 18, 20, which can move in opposite directions, can be synchronized with one another, with self-regulation in particular being able to be carried out via a compensating current.
Es kann weiterhin auch noch vorgesehen sein, daß über die induzierte Spannung die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 56 eine Positionsinformation der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 auswertet; diese Auswertung ist eine Auswertung der relativen Lage der Läufervorrichtung 46 zu der zugeordneten Statorvorrichtung 48. Beispielsweise können diese Detektionsergeb- nisse dann zur Verbesserung der Synchronisierung der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 verwendet werden. Durch das Vorsehen zusätzlicher Wicklungen bei der Statorvorrichtung 48 läßt sich die Genauigkeit der Positionsermittlung erhöhen.It can also be provided that the control and / or regulating device 56 evaluates position information of the two piston devices 18, 20 via the induced voltage; this evaluation is an evaluation of the relative position of the rotor device 46 to the associated stator device 48. For example, these detection results can then be used to improve the synchronization of the two piston devices 18 and 20. By providing additional windings in the stator device 48, the accuracy of the position determination can be increased.
Die erfindungsgemäße Freikolben-Verbrennungsvorrichtung läßt sich beispielsweise im 2-Taktbetrieb oder 4-Taktbetrieb betreiben.The free-piston combustion device according to the invention can be operated, for example, in 2-stroke or 4-stroke operation.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 2 als Ganzes mit 90 bezeichnet ist, ist anstatt eines Laders 70 eine Überströmungsführung 92 vorgesehen. Der Zylinder 12 selber ist dabei grundsätzlich ausgebildet wie oben beschrieben, so daß gleiche Teile das gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 aufweisen, jedoch mit einem Strich versehen.In a second exemplary embodiment, which is designated 90 as a whole in FIG. 2, an overflow guide 92 is provided instead of a charger 70. The cylinder 12 itself is basically designed as described above, so that the same parts have the same reference numerals as in Figure 1, but with a dash.
Ein entsprechender Rückfederraum 94 ist dabei an einen Saugkanal 96 und einen Saugkanal 98 über entsprechende Ventile 100 und 102 gekoppelt, so daß über diesen Luft in die entsprechenden Brennräume 36' und 38' einsaug- bar ist. Das Volumen des Rückfederraums 94 ist dabei größer als das Gesamtvolumen der beiden Brennräume 36', 38' zusammen, um eine Vorverdichtung der Ansaugluft zu erreichen.A corresponding spring-back chamber 94 is coupled to a suction channel 96 and a suction channel 98 via corresponding valves 100 and 102, so that air can be sucked into the corresponding combustion chambers 36 'and 38' via these. The volume of the resilience chamber 94 is greater than the total volume of the two combustion chambers 36 ', 38' together in order to achieve a pre-compression of the intake air.
Ansonsten funktioniert die Vorrichtung 90 genauso wie oben beschrieben. In den Rückfederraum 94, welcher eine Pumpenfunktion hat, kann angesaugte Luft vorverdichtet werden, bevor sie in die Brennräume 36' und 38' gepumpt wird.Otherwise, the device 90 functions exactly as described above. Intake air can be pre-compressed into spring-back space 94, which has a pump function, before it is pumped into combustion chambers 36 'and 38'.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 3 als Ganzes mit 104 bezeichnet ist, ist wiederum ein Zylinder 106 vorgesehen, in welchem wiederum zwei Kolbeneinrichtungen 108 und 110 linearverschieblich geführt sind. Diese sind dabei so ausgebildet, wie bereits oben beschrieben, mit jeweiligen Kolbenpaaren 112a, 112b und 114a, 114b. Die Kolben 112a und 114a sind einer stirnseitigen jeweiligen Zylinderwand 116 und 118 jeweils zugewandt angeordnet, während die beiden Kolben 112b und 114b einander zuweisen.In a third exemplary embodiment, which is designated as a whole in FIG. 3 by 104, a cylinder 106 is again provided, in which in turn two piston devices 108 and 110 are guided so as to be linearly displaceable. These are designed, as already described above, with respective piston pairs 112a, 112b and 114a, 114b. The pistons 112a and 114a are each arranged facing a respective front cylinder wall 116 and 118, while the two pistons 112b and 114b point to one another.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 10 und 90 ist dabei der Zwischenraum zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen 108 und 110 als Brenn- räum 120 ausgebildet, indem entsprechend ein Luft-Brennstoff-Gemisch zündbar ist.In contrast to the exemplary embodiments 10 and 90, the space between the two piston devices 108 and 110 is designed as a combustion chamber 120 in that an air / fuel mixture can be ignited accordingly.
Dazu ist dieser Brennraum 120 mit einem Einlaßventil 122 und einem Auslaßventil 124 versehen. Über das Einlaßventil wird Frischluft dem Brennraum 120 zugeführt und über das Auslaßventil 124 wird Abgas abgeführt.For this purpose, this combustion chamber 120 is provided with an inlet valve 122 and an outlet valve 124. Fresh air is supplied to the combustion chamber 120 via the inlet valve and exhaust gas is discharged via the outlet valve 124.
Eine entsprechende Saugleitung 126 und eine Abführungsleitung 128 ist mit einem Lader 130 verbunden, welcher wiederum, wie bereits anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, mit den äußeren Brennräumen 132 und 134 über jeweilige Saugleitungen 136 und Abgasabführungsleitungen 138 verbunden ist. Ansonsten funktioniert die Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit Lineargenerator wie bereits oben beschrieben. Es ist grundsätzlich möglich, daß Kolbeneinrichtungen 140, 142 vorgesehen sind, zwischen welchen ein Brennraum 144 angeordnet ist (Figur 5).A corresponding suction line 126 and a discharge line 128 is connected to a charger 130, which in turn, as already described with reference to the first exemplary embodiment, is connected to the outer combustion chambers 132 and 134 via respective suction lines 136 and exhaust gas discharge lines 138. Otherwise, the free-piston combustion device with a linear generator works as already described above. It is fundamentally possible for piston devices 140, 142 to be provided, between which a combustion chamber 144 is arranged (FIG. 5).
Jede Kolbeneinrichtung 140, 142 umfaßt wiederum ein Paar beabstandeter Kolben 146a, 146b bzw. 148a, 148b.Each piston assembly 140, 142 in turn includes a pair of spaced pistons 146a, 146b and 148a, 148b, respectively.
Es ist nun vorgesehen, daß zwischen den Kolben 146a und einer zuweisenden Zylinderwand 150 und dem Kolben 148a und der zuweisenden Zylinderwand 152 jeweils ein Rückfederraum 154, 156 gebildet ist, in dem beispielsweise jeweils ein elastisches Element 158, vorzugsweise eine Kompressionsfeder angeordnet ist.It is now provided that a spring-back space 154, 156 is formed between the piston 146a and a facing cylinder wall 150 and the piston 148a and the facing cylinder wall 152, in which, for example, an elastic element 158, preferably a compression spring, is arranged.
Bei einer solchen Vorrichtung läßt sich dann für jede Kolbeneinrichtung 140, 142 getrennt, das heißt in einem jeweils zugeordneten Rückfederraum 154 bzw. 156 die während eines Verbrennungsarbeitstaktes (bei der Verbrennung in dem Brennraum 144) nicht von einem entsprechenden Lineartrieb 160 aufgenommene Energie Zwischenspeichern. Der Lineartrieb 160 ist dabei grundsätzlich gleich ausgebildet wie oben anhand des Lineartriebs 40 beschrieben.In such a device, the energy that is not absorbed by a corresponding linear drive 160 during a combustion work cycle (during combustion in the combustion chamber 144) can then be stored separately for each piston device 140, 142, that is to say in an associated spring-back chamber 154 or 156. The linear drive 160 is basically of the same design as described above with reference to the linear drive 40.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolben- Verbrennungsvorrichtung mit Lineartrieb, welches in Figur 6 als Ganzes mit 202 bezeichnet ist, ist eine Kolbenaufnahme 204 vorgesehen, in welcher eine einzige Kolbeneinrichtung 206 linear verschieblich ist. Es können dabei meh- rere solcher Kolbenaufnahmen 204 beispielsweise zur Stromerzeugung zusammengeschaltet sein, indem sie beispielsweise paketförmig gestapelt sind oder jeweils zwei Kolbenaufnahmen V-förmig angeordnet sind. Die Kolbeneinrichtung 206 wiederum umfaßt einen ersten Kolben 208 und einen gegenüberliegenden zweiten Kolben 210, der im wesentlichen zur Ab- stützung des ersten Kolbens 208 dient. Zwischen diesen beiden Kolben 208 und 210 ist eine Kolbenstange 212 angeordnet, die diese beiden Kolben 208 und 210 miteinander verbindet.In a fifth exemplary embodiment of a free-piston combustion device according to the invention with a linear drive, which is designated as a whole in FIG. 6 with 202, a piston receptacle 204 is provided, in which a single piston device 206 can be displaced linearly. Several such piston receptacles 204 can be interconnected, for example for power generation, in that they are stacked in a packet-like manner, for example, or two piston receptacles are each arranged in a V-shape. The piston device 206 in turn comprises a first piston 208 and an opposing second piston 210, which essentially serves to support the first piston 208. A piston rod 212 is arranged between these two pistons 208 and 210 and connects these two pistons 208 and 210 to one another.
Eine Läufervorrichtung 214, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, ist zwischen diesen beiden Kolben 208 und 210 auf der Kolbenstange 212 an- geordnet.A rotor device 214, which is designed as described above, is arranged between these two pistons 208 and 210 on the piston rod 212.
An der Kolbenaufnahme 204 sitzt wiederum eine wie oben beschrieben ausgebildete Statorvorrichtung 216.In turn, a stator device 216 configured as described above sits on the piston receptacle 204.
Der erste Kolben 208 ist einem als Brennraum 218 ausgebildeten Expansionsraum zugewandt und begrenzt diesen. Dieser erste Kolben 208 erfährt damit auch direkt den Druck der in dem Brennraum 218 expandierenden Verbrennungsgase, welche die Kolbeneinrichtung 206 antreiben.The first piston 208 faces an expansion space designed as a combustion chamber 218 and delimits it. This first piston 208 thus also directly experiences the pressure of the combustion gases expanding in the combustion chamber 218, which drive the piston device 206.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß an dem ersten Kolben 208 ein thermisches Isolierelement 220, beispielsweise eine Keramikscheibe der Läufervorrichtung 214 angeordnet ist, um den Brennraum 218 von der Läufervorrichtung 214 thermisch zu isolieren.It is preferably provided that a thermal insulating element 220, for example a ceramic disk of the rotor device 214, is arranged on the first piston 208 in order to thermally isolate the combustion chamber 218 from the rotor device 214.
Von dem Brennraum 218 führt über ein steuerbares Auslaßventil 222 eine Abgasleitung 224 zu einem Lader 226. Ferner führt von diesem Lager 226 eine Zuführungsleitung 228 zu dem Brennraum 218, in den sie über ein steuerbares Einlaßventil 230 mündet.An exhaust line 224 leads from the combustion chamber 218 via a controllable outlet valve 222 to a charger 226. Furthermore, one leads from this bearing 226 Supply line 228 to the combustion chamber 218, into which it opens via a controllable inlet valve 230.
Der Lader 226 mit seiner Ankopplung an den Brennraum 218 funktioniert wie bereits oben beschrieben.The charger 226 with its coupling to the combustion chamber 218 functions as already described above.
Der zweite Kolben 210 ist einem Raum 232 zugewandt, welcher ein Nicht- Brennraum ist. Insbesondere ist dieser als Rückfederraum ausgebildet, indem ein mechanisches elastisches Element angeordnet ist (in Figur 6 nicht gezeigt) oder indem ein komprimierbares Medium wie Luft angeordnet ist. In diesem Fall sind steuerbare Ventile 234 zur Steuerung und/oder Regelung des Drucks in diesem Raum 232 vorgesehen, um eben die Rückfederung steuern zu können.The second piston 210 faces a space 232, which is a non-combustion space. In particular, this is designed as a spring-back space in that a mechanical elastic element is arranged (not shown in FIG. 6) or in that a compressible medium such as air is arranged. In this case, controllable valves 234 are provided for controlling and / or regulating the pressure in this space 232 in order to be able to control the springback.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 202 funktioniert wie oben anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, das heißt über die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 56 ist die Kolbenbewegung variabel einstellbar.The device 202 according to the invention functions as described above with reference to the first exemplary embodiment, that is to say the piston movement can be variably adjusted via the control and regulating device 56.
Der obere Umkehrpunkt (OT) und der untere Umkehrpunkt (UT) ist einstellbar und zwar insbesondere räumlich bezüglich der Kolbenaufnahme 204 und zeitlich einstellbar. Ferner ist die Kolbengeschwindigkeit einstellbar und damit wiederum die Verdichtung in dem Brennraum 218 einstellbar. Insbesondere erfolgt die Einstellung über einen Lineartrieb, welcher die Läufervorrichtung 214 und die Statorvorrichtung 216 umfaßt. Durch eine Einstellbarkeit der Kolbenbewegung derart, daß die Position des ersten Kolbens 208 mindestens bezüglich des Zeitpunktes für das Erreichen des oberen Umkehrpunktes und des unteren Umkehrpunktes einstellbar ist und vorzugsweise derart, daß die Kolbenposition des ersten Kolbens 208 zu jedem Zeitpunkt definiert festlegbar ist, läßt sich die Vorrichtung variabel an unterschiedliche Einsatzbedingungen oder unterschiedliche Einsatzparameter anpassen.The upper reversal point (OT) and the lower reversal point (UT) can be set, in particular spatially with respect to the piston receptacle 204 and can be set in time. Furthermore, the piston speed can be adjusted, and in turn the compression in the combustion chamber 218 can be adjusted. In particular, the setting takes place via a linear drive, which includes the rotor device 214 and the stator device 216. By adjusting the piston movement in such a way that the position of the first piston 208 is adjustable at least with respect to the point in time for reaching the upper reversal point and the lower reversal point and preferably such that the If the piston position of the first piston 208 can be defined in a defined manner at any time, the device can be variably adapted to different operating conditions or different operating parameters.
Oben wurden als Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Freikolbenvorrichtungen Freikolben-Verbrennungsvorrichtungen beschrieben. Diese lassen sich insbesondere als Brennkraftmaschinen einsetzen.Free-piston combustion devices have been described above as exemplary embodiments for free-piston devices according to the invention. These can be used in particular as internal combustion engines.
Es ist auch möglich, über die erfindungsgemäße Lösung eine Freikolben- Dampfmaschine zu realisieren, wie untenstehend noch näher beschrieben wird.It is also possible to implement a free-piston steam engine via the solution according to the invention, as will be described in more detail below.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, welche in Figur 7 als Ganzes mit 300 bezeichnet ist, umfaßt eine Kolbenaufnahme 302 einen Innenraum 304, in welchem eine Kolbeneinrichtung 306 linear-beweglich angeordnet ist. Die Kolbeneinrichtung 306 umfaßt einen ersten Kolben 308 und einen mit diesem verbundenen gegenüberliegenden zweiten Kolben 310.In a sixth exemplary embodiment of a free-piston device according to the invention, which is designated as a whole in FIG. 7 by 300, a piston receptacle 302 comprises an interior 304 in which a piston device 306 is arranged so as to be linearly movable. The piston device 306 comprises a first piston 308 and an opposing second piston 310 connected to it.
Der erste Kolben 308 begrenzt einen Expansionsraum 312, in dem sich ein Wärmeträgermedium wie Dampf entspannen kann, wobei über diese Expansion des Wärmeträgermediums eine Kraft auf den ersten Kolben 308 und damit auf die Kolbeneinrichtung 306 ausgeübt wird. Der zweite Kolben 310 begrenzt einen Rückfederraum 313, welcher in dem Innenraum 304 der Kolbenaufnahme 302 am anderen Ende bezogen auf den Expansionsraum 312 gebildet ist. An der Kolbeneinrichtung 306 ist eine Läufervorrichtung 314 fixiert, welche sich mit der Kolbeneinrichtung 306 bewegt. Eine Statorvorrichtung 316 ist bezogen auf die Kolbenaufnahme 302 ortsfest fixiert.The first piston 308 delimits an expansion space 312, in which a heat transfer medium such as steam can relax, a force being exerted on the first piston 308 and thus on the piston device 306 via this expansion of the heat transfer medium. The second piston 310 delimits a spring-back space 313, which is formed in the interior 304 of the piston receptacle 302 at the other end with respect to the expansion space 312. A rotor device 314, which moves with the piston device 306, is fixed to the piston device 306. A stator device 316 is fixed in place with respect to the piston receptacle 302.
Die Funktionsweise einer solchen Antriebsvorrichtung ist grundsätzlich gleich wie oben beschrieben.The operation of such a drive device is basically the same as described above.
Das Wärmeträgermedium, bei dem es sich insbesondere um Dampf handelt, wird außerhalb des Expansionsraums 312 erzeugt bzw. erhitzt. Dazu ist bei- spielsweise ein Druckkessel 318 vorgesehen, welcher über einen Ausgang 320 an den Expansionsraum 312 gekoppelt ist. Zwischen diesem Ausgang 320 und dem Expansionsraum 312 ist eine Leitung 322 für Wärmeträgermedium angeordnet.The heat transfer medium, which is in particular steam, is generated or heated outside the expansion space 312. For this purpose, a pressure vessel 318 is provided, for example, which is coupled to the expansion space 312 via an outlet 320. A line 322 for heat transfer medium is arranged between this outlet 320 and the expansion space 312.
Der Druckkessel 318 ist mittels einer Wärmequelle 324 beheizbar. Die Wärmequelle selber kann mittels Solarstrahlung oder mittels Brennstoffen beheizt sein.The pressure vessel 318 can be heated by means of a heat source 324. The heat source itself can be heated by means of solar radiation or by means of fuels.
Erhitztes Wärmeträgermedium wie beispielsweise Heißdampf wird von dem Druckkessel 318 in den Expansionsraum 312 eingekoppelt und kann sich dort entspannen. Dies führt zu einer Kolbenbewegung an der Kolbeneinrichtung 306, wodurch sich elektrische Energie erzeugen läßt. Zur Einkopplung des Wärmeträgermediums in den Expansionsraum ist an diesem ein entsprechendes Ventil 326 angeordnet, welches mechanisch oder elektrisch betätigbar ist. Dadurch läßt sich auf entsprechende Weise die Wärmeträgermediumzufuhr steuern bzw. regeln. An einem Auslaß 328 des Expansionsraums 312 sitzt ein weiteres Ventil 330, über welches die Mediumabfuhr aus dem Expansionsraum 312 steuerbar bzw. regelbar ist, wobei diese Steuerung insbesondere gekoppelt an die Wärmeträgermediumzufuhr erfolgt.Heated heat transfer medium, such as superheated steam, is injected from the pressure vessel 318 into the expansion space 312 and can relax there. This leads to a piston movement on the piston device 306, as a result of which electrical energy can be generated. To couple the heat transfer medium into the expansion space, a corresponding valve 326 is arranged on it, which can be actuated mechanically or electrically. This allows the heat transfer medium supply to be controlled or regulated in a corresponding manner. At an outlet 328 of the expansion space 312 there is a further valve 330, via which the medium removal from the expansion space 312 can be controlled or regulated, this control taking place in particular coupled to the heat transfer medium supply.
Der Auslaß 328 ist über eine Leitung 330 mit einer Rückkühlungseinrichtung 332 verbunden, über die sich aus dem Expansionsraum 312 abgeführtes Medium abkühlen läßt. Das Medium, welches in die Rückkühlungseinrichtung 332 eintritt, steht unter einem geringeren Druck als das Medium, welches aus dem Druckkessel 318 aus- und in den Expansionsraum 312 zur Entspannung eintritt.The outlet 328 is connected via a line 330 to a recooling device 332, via which medium discharged from the expansion space 312 can be cooled. The medium that enters the recooling device 332 is under a lower pressure than the medium that exits the pressure vessel 318 and enters the expansion space 312 for expansion.
Von der Rückkühlungseinrichtung 332 läßt sich Medium wie Dampf über eine Leitung 334 in den Druckkessel 318 führen, um dort wiederum dem Medium Energie zuführen zu können, d. h. Wärmeträgermedium für den Expansionsraum 312 bereitstellen zu können.From the recooling device 332, medium such as steam can be fed via a line 334 into the pressure vessel 318, in order to be able to supply energy to the medium there, i.e. H. To be able to provide heat transfer medium for the expansion space 312.
In der Leitung 334 ist eine Pumpe 336 angeordnet, um das Medium in den Druckkessel 318 befördern zu können.A pump 336 is arranged in the line 334 in order to be able to convey the medium into the pressure vessel 318.
Der Druckkessel 318 ist vorzugsweise mit Dampf gefüllt.The pressure vessel 318 is preferably filled with steam.
Durch Expansion des unter Druck in den Expansionsraum 312 eingeführten Dampfes wird die Linearbewegung der Kolbeneinrichtung 306 bewirkt, welche wiederum die elektrische Energieerzeugung bewirkt. Die Kolbenbewegung und die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt auf die grundsätzlich gleiche Weise wie oben beschrieben. Auch bei einer solchen Freikolben-Dampfmaschine kann eine Mehrzahl von Kolbeneinrichtungen und Expansionsräumen wie oben beschrieben vorgesehen sein.Expansion of the steam introduced into the expansion space 312 under pressure causes the linear movement of the piston device 306, which in turn produces the electrical energy. The piston movement and the generation of the electrical energy takes place in the same way as described above. In such a free-piston steam engine, too, a plurality of piston devices and expansion spaces can be provided as described above.
Es ist auch möglich, bei einer Freikolben-Verbrennungsvorrichtung einem Brennraum Brenngase zuzuführen, welche extern erzeugt wurden und dann in den Brennraum eingekoppelt werden, welcher durch die entsprechende Kolbeneinrichtung begrenzt wird. It is also possible in a free-piston combustion device to supply combustion gases to a combustion chamber which have been generated externally and are then injected into the combustion chamber, which is delimited by the corresponding piston device.

Claims

AN S P RU CH E EXPECTATIONS
1. Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb (40), umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme (12; 204) mit mindestens einer in der Kolbenaufnahme (12; 204) linear beweglich angeordneten Kolbeneinrichtung (18; 20; 206), wobei die Kolbeneinrichtung (18, 20; 206) eine Läufervorrichtung (46; 214) umfaßt und an der Kolbenaufnahme (12; 204) eine Statorvorrichtung (48; 216) angeordnet ist und wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung (18; 20; 206) unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum (36; 38; 218; 312) expandiert, antreibbar ist, dad u rch gekennzeich ne , daß der Kolbenhub über den Lineartrieb (40) derart variabel einstellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung (18; 20; 206) definierbar sind.1. Free-piston device with an electric linear drive (40), comprising at least one piston holder (12; 204) with at least one piston device (18; 20; 206) arranged linearly movable in the piston holder (12; 204), the piston device (18, 20; 206) comprises a rotor device (46; 214) and a stator device (48; 216) is arranged on the piston receptacle (12; 204) and the at least one piston device (18; 20; 206) under the action of a medium which is in a Expansion space (36; 38; 218; 312) expands, can be driven, so that the piston stroke can be variably adjusted via the linear drive (40) such that the dead center of the movement of the piston device (18; 20; 206) can be defined are.
2. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Totpunkte örtlich bezüglich der Kolbenaufnahme (12, 204; 302) definierbar sind.2. Free piston device according to claim 1, characterized in that the dead centers locally with respect to the piston receptacle (12, 204; 302) can be defined.
3. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Totpunkte für die Bewegung der Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) zeitlich definierbar sind. 3. Free piston device according to claim 1 or 2, characterized in that the dead centers for the movement of the piston device (18; 20; 206; 306) can be defined in time.
4. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) so variabel einstellbar ist, daß der Ort der Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) zu jedem Zeitpunkt definierbar ist.4. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the movement of the piston device (18; 20; 206; 306) is so variably adjustable that the location of the piston device (18; 20; 206; 306) can be defined at any time ,
5. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß oberer Totpunkt und/oder unterer Totpunkt des Kolbenhubs der Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) definierbar sind.5. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that top dead center and / or bottom dead center of the piston stroke of the piston device (18; 20; 206; 306) can be defined.
6. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeneinrichtung (18; 20; 206) an einem ersten Ende einen Expansionsraum (36; 38; 218; 312) begrenzt und an einem gegenüberliegenden Ende einen Raum (58; 232; 318) begrenzt, welcher kein Expansionsraum ist.6. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the piston device (18; 20; 206) delimits an expansion space (36; 38; 218; 312) at a first end and a space (58; 232; 318), which is not an expansion space.
7. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung im Expansionsraum (36; 38; 218; 312) über den Lineartrieb (40) einstellbar ist.7. Free piston device according to claim 6, characterized in that the compression in the expansion space (36; 38; 218; 312) via the linear drive (40) is adjustable.
8. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (36; 38; 218; 312) variabel einstellbar ist.8. Free piston device according to claim 6 or 7, characterized in that the expansion space (36; 38; 218; 312) is variably adjustable.
9. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Volumen und Oberfläche des Expansionsraums (36; 38; 218; 312) einstellbar sind. 9. Free piston device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the volume and surface of the expansion space (36; 38; 218; 312) are adjustable.
10. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (56) vorgesehen ist, über die der Lineartrieb (40) so elektrisch ansteuerbar ist, daß ein variabler Kolbenhub einstellbar ist.10. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a control and / or regulating device (56) is provided, via which the linear drive (40) can be electrically controlled so that a variable piston stroke is adjustable.
11. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) einen ersten Kolben (24a; 28a; 208; 308) und einen fest mit diesem verbundenen gegenüberliegenden zweiten Kolben (24b; 28b; 210; 310) umfaßt.11. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a piston device (18; 20; 206; 306) has a first piston (24a; 28a; 208; 308) and an opposite second piston (24b; 28b; 210; 310).
12. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Kolben (24a; 28a; 208; 308) und dem zweiten Kolben (24b; 28b; 210; 310) die Läufervorrichtung (46; 214; 316) angeordnet ist.12. Free piston device according to claim 11, characterized in that the rotor device (46; 214; 316) is arranged between the first piston (24a; 28a; 208; 308) and the second piston (24b; 28b; 210; 310).
13. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Nicht-Expansionsraum (58; 232; 313), welcher durch die Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) begrenzt ist, als Rückfederraum für die Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) ausgebildet ist.13. Free piston device according to one of claims 6 to 12, characterized in that the non-expansion space (58; 232; 313), which is limited by the piston device (18; 20; 206; 306), as a spring-back space for the piston device (18 ; 20; 206; 306) is formed.
14. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rückfederraum (58; 232; 313) ein komprimierbares Element und/oder Medium aufgenommen ist.14. Free piston device according to claim 13, characterized in that a compressible element and / or medium is accommodated in the resilience space (58; 232; 313).
15. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Element ein mechanisch elastisches Element ist. 15. Free piston device according to claim 14, characterized in that the compressible element is a mechanically elastic element.
16. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Medium ein komprimierbares Fluid ist.16. Free piston device according to claim 14, characterized in that the compressible medium is a compressible fluid.
17. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Rückfederraum (58; 232; 313) einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar ist.17. Free piston device according to claim 14, characterized in that the pressure in the resilience space (58; 232; 313) is adjustable and / or controllable and / or adjustable.
18. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Rückfederraum (58; 232; 313) so steuerbar und/oder regelbar ist, daß über diesen eine Pumpenfunktion und/oder Verdichtungsfunktion und/oder Saugfunktion erzielbar ist.18. Free piston device according to claim 17, characterized in that the pressure in the resilience space (58; 232; 313) can be controlled and / or regulated so that a pump function and / or compression function and / or suction function can be achieved via this.
19. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Rückfederraum (58; 232; 313) so steuerbar und/oder regelbar ist, daß über diesen eine Pumpenwirkung bezüglich einer Kolbeneinrichtung (18; 20; 206; 306) erzielbar ist.19. Free piston device according to claim 17 or 18, characterized in that the pressure in the resilience space (58; 232; 313) is so controllable and / or regulatable that a pump effect with respect to a piston device (18; 20; 206; 306) can be achieved is.
20. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine erste Kolbeneinrichtung (18) und eine zweite Kolbeneinrichtung (20), welche linear beweglich angeordnet sind, wobei die Koibeneinrichtungen (18, 20) jeweils eine Läufervorrichtung (46) umfassen und an der Kolbenaufnahme (12) eine der jeweiligen Läufervorrichtung (46) zugeordnete Statorvorrichtung (48) angeordnet ist. 20. Free piston device according to one of the preceding claims, comprising a first piston device (18) and a second piston device (20), which are arranged to be linearly movable, the piston devices (18, 20) each comprising a rotor device (46) and on the piston holder ( 12) a stator device (48) assigned to the respective rotor device (46) is arranged.
21. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Kolbeneinrichtungen (18, 20) jeweils ein eigener Expansionsraum (36; 38) zugeordnet ist.21. Free piston device according to claim 20, characterized in that two piston devices (18, 20) each have their own expansion space (36; 38) is assigned.
22. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (36; 38) zwischen einem Kolben (24a; 28a) der jeweiligen Kolbeneinrichtung (18; 20), welcher der anderen Kolbeneinrichtung (20; 18) abgewandt ist, und einer dem Kolben (24a; 28a) zugewandten Kolbenaufnahmewand (32; 34) gebildet ist.22. Free piston device according to claim 21, characterized in that the expansion space (36; 38) between a piston (24a; 28a) of the respective piston device (18; 20) which faces away from the other piston device (20; 18), and one Piston (24a; 28a) facing the piston receiving wall (32; 34) is formed.
23. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolbeneinrichtungen (18, 20) gegenläufig zueinander beweglich sind.23. Free piston device according to one of claims 20 to 22, characterized in that the two piston devices (18, 20) are movable in opposite directions to each other.
24. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen (108, 110) ein weiterer Expansionsraum (120) angeordnet ist.24. Free-piston device according to one of claims 20 to 23, characterized in that a further expansion space (120) is arranged between the two piston devices (108, 110).
25. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen (18, 20) mindestens ein Rückfederraum (58) angeordnet ist.25. Free piston device according to one of claims 20 to 23, characterized in that at least one spring-back space (58) is arranged between the two piston devices (18, 20).
26. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Ventile (62, 64; 326, 328) für den Gaswechsel in einem Expansionsraum (36; 38; 312) über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (56) steuerbar und/oder regelbar sind. 26. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the valve or valves (62, 64; 326, 328) for the gas exchange in an expansion space (36; 38; 312) via a control and / or regulating device (56) are controllable and / or regulatable.
27. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Ventile (62, 64; 326, 328) für den Gaswechsel eines Expansionsraums (36; 38; 312) elektrisch steuerbar und/oder regelbar sind.27. Free piston device according to claim 26, characterized in that the valve or valves (62, 64; 326, 328) for the gas exchange of an expansion space (36; 38; 312) are electrically controllable and / or adjustable.
28. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßventile (64) und/oder Auslaßventile (62) für einen Expansionsraum (36; 38) so angeordnet und so ausgebildet sind, daß eine Gasströmung im wesentlichen längs einer Expansionskammerwand ausbildbar ist.28. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that inlet valves (64) and / or outlet valves (62) for an expansion space (36; 38) are arranged and designed such that a gas flow can be formed essentially along an expansion chamber wall.
29. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lader (70) vorgesehen ist, um den Gaswechsel in einem Expansionsraum (36; 38) oder den Expansionsräumen (36, 38) zu steuern und/oder zu regeln.29. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one charger (70) is provided to control and / or regulate the gas exchange in an expansion space (36; 38) or the expansion spaces (36, 38).
30. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader ein Druckwellenlader (70) ist.30. Free piston device according to claim 29, characterized in that the charger is a pressure wave charger (70).
31. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader (70) mit einem oder mehreren Expansionsräumen (36; 38) für die jeweiligen Kolbeneinrichtungen (18, 20) verbunden ist.31. Free piston device according to claim 29 or 30, characterized in that the charger (70) is connected to one or more expansion spaces (36; 38) for the respective piston devices (18, 20).
32. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbeneinrichtung (18; 20; 206) über Planschschmierung geschmiert sind. 32. Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a piston device (18; 20; 206) are lubricated by splash lubrication.
33. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizvorrichtung zur Vorheizung vorgesehen ist.33. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a heating device is provided for preheating.
34. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungen der Statorvorrichtung (48) als Heizelemente eingesetzt werden.34. Free piston device according to claim 33, characterized in that windings of the stator device (48) are used as heating elements.
35. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufervorrichtung (46) eine Mehrzahl von Magnetelementen (50) umfaßt, welchen ein oder mehrere Flußleitelemente (52) zugeordnet sind.35. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor device (46) comprises a plurality of magnetic elements (50), which one or more flux guide elements (52) are assigned.
36. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (50) und die Flußleitelemente (52) auf einer Kolbenstange (26; 30) sitzen.36. Free piston device according to claim 35, characterized in that the magnetic elements (50) and the flux guide elements (52) sit on a piston rod (26; 30).
37. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (50) und die Flußleitelemente (52) rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse (22) der Kolbenstange (26; 30) ausgebildet sind.37. Free piston device according to claim 36, characterized in that the magnetic elements (50) and the flux guide elements (52) are rotationally symmetrical with respect to an axis (22) of the piston rod (26; 30).
38. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (50) und Flußleitelemente (52) alternierend angeordnet sind. 38. Free piston device according to one of claims 35 to 37, characterized in that the magnetic elements (50) and flux guide elements (52) are arranged alternately.
39. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußleitelemente (52) aus einem magnetisch leitfähigen Material sind.39. free piston device according to one of claims 35 to 38, characterized in that the flux guide elements (52) are made of a magnetically conductive material.
40. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flußleitelement (52) so ausgebildet ist, daß in diesem Feldlinien der benachbarten Magnetelemente (50) konzentrierbar sind.40. free-piston device according to one of claims 35 to 39, characterized in that a flux guide element (52) is designed so that in this field lines of the adjacent magnetic elements (50) can be concentrated.
41. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (50) Permanentmagnetelemente sind.41. Free piston device according to one of claims 35 to 40, characterized in that the magnetic elements (50) are permanent magnet elements.
42. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente (50) Elektromagnetelemente sind.42. Free piston device according to one of claims 35 to 40, characterized in that the magnetic elements (50) are electromagnetic elements.
43. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Statorvorrichtung (48) um die Kolbenaufnahme (12) laufende Haupt-Ringwicklungen (54) umfaßt.43. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a stator device (48) around the piston receptacle (12) comprises main ring windings (54).
44. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Nebenwicklungen (82) vorgesehen sind, mit denen elektrische Energie auskoppelbar ist.44. Free piston device according to claim 43, characterized in that additional secondary windings (82) are provided, with which electrical energy can be coupled out.
45. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß den Nebenwicklungen (82) ein Gleichrichter nachgeordnet ist. 45. free-piston device according to claim 44, characterized in that the secondary windings (82) is followed by a rectifier.
46. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 45, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisierungsvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen (18, 20) synchronisierbar ist.46. Free piston device according to one of claims 20 to 45, characterized in that a synchronization device is provided, by means of which the movement of the two piston devices (18, 20) can be synchronized.
47. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierungsvorrichtung Nebenwicklungen (82) an der Kolbenaufnahme (12) umfaßt, deren Strom durchfluß individuell steuerbar ist.47. Free piston device according to claim 46, characterized in that the synchronization device comprises secondary windings (82) on the piston receptacle (12), the flow of which is individually controllable.
48. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierungsvorrichtung Nebenwicklungen (82) an der Kolbenaufnahme (12) umfaßt, welche den jeweiligen Kolbeneinrichtungen (18, 20) zugeordnet sind und elektrisch miteinander verbunden sind, so daß ein Ausgleichsstrom zwischen den Nebenwicklungen (82) fließen kann.48. free piston device according to claim 46 or 47, characterized in that the synchronization device comprises secondary windings (82) on the piston receptacle (12) which are associated with the respective piston devices (18, 20) and are electrically connected to one another, so that a compensating current between the Secondary windings (82) can flow.
49. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß elektrisch steuerbar ist.49. free piston device according to claim 48, characterized in that the current flow is electrically controllable.
50. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position einer Kolbeneinrichtung (18; 20) in der Kolbenaufnahme (12) über eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (56) aus einer induzierten Spannung detektiert wird. 50. free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the position of a piston device (18; 20) in the piston receptacle (12) via a control and / or regulating device (56) is detected from an induced voltage.
51. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmiervorrichtung für eine Kolbeneinrichtung so ausgebildet ist, daß die zugeordnete Läufervorrichtung (46) mit dem Schmieröl kühlbar ist.51. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that a lubricating device for a piston device is designed such that the associated rotor device (46) can be cooled with the lubricating oil.
52. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Statorvorrichtung (48) Kühlkanäle (84) angeordnet sind.52. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that cooling channels (84) are arranged around the stator device (48).
53. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Kolbenaufnahme (12) Kühlkanäle angeordnet sind.53. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that cooling channels are arranged around the piston receptacle (12).
54. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückfederraum (58) mit mindestens einem steuerbaren Einlaßventil und mindestens einem steuerbaren Auslaßventil für das komprimierbare Medium versehen ist.54. Free piston device according to one of claims 13 to 53, characterized in that the resilience space (58) is provided with at least one controllable inlet valve and at least one controllable outlet valve for the compressible medium.
55. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufervorrichtung (46) und die Statorvorrichtung (48) unterschiedliche Polteilungen aufweisen.55. Free-piston device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor device (46) and the stator device (48) have different pole pitches.
56. Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Expansionsraum als Brennraum (36; 38; 218) ausgebildet ist. 56. Free piston device according to one of the preceding claims, characterized in that an expansion space is designed as a combustion space (36; 38; 218).
57. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 56, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Brennraum (36; 38; 218) Brenngase expandieren.57. Free piston device according to claim 56, characterized in that in a combustion chamber (36; 38; 218) expand fuel gases.
58. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngase in dem Brennraum (36; 38; 218) erzeugt werden.58. Free piston device according to claim 57, characterized in that fuel gases are generated in the combustion chamber (36; 38; 218).
59. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, daß Brenngase extern erzeugt und in den Brennraum eingekoppelt werden.59. Free piston device according to claim 57, characterized in that fuel gases are generated externally and coupled into the combustion chamber.
60. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 55, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Expansionsraum (312) ein Wärmeträgermedium expandiert.60. Free piston device according to one of claims 1 to 55, characterized in that a heat transfer medium expands in an expansion space (312).
61. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium Dampf ist.61. Free piston device according to claim 60, characterized in that the heat transfer medium is steam.
62. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 60 oder 61, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium außerhalb des Expansionsraums (312) erzeugt wird oder dem Wärmeträgermedium außerhalb des Expansionsraums (312) Energie zugeführt wird.62. Free piston device according to claim 60 or 61, characterized in that the heat transfer medium is generated outside the expansion space (312) or the heat transfer medium outside the expansion space (312) is supplied with energy.
63. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 60 bis 62, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkühlungseinrichtung (332) von aus dem Expansionsraum abgeführten Medium vorgesehen ist. 63. Free piston device according to one of claims 60 to 62, characterized in that a recooling device (332) is provided from the medium discharged from the expansion space.
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