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Die Erfindung betrifft eine Freikolben-Verbrennungsvorrichtung
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, wobei
die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung von in einem
Brennraum expandierenden Brenngassen antreibbar ist.
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Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus
der
DE 22 17 194 C3 bekannt.
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Mit ihr läßt sich 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.
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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.
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Verbrennungsvorrichtungen mit elektrischen Generatoren
sind auch aus der
US
6,199,519 B1 , der
DE
31 03 432 A1 , der DDR-Patentschrift Nr. 113 593, der
DE 43 44 915 A1 oder
aus dem Artikel "ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH" von
P. Van Blarigan, Proceedings of the 2000 DOE-Hydrogen Program Review, NREL/CP-570-28890,
bekannt.
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Aus der
DE 198 13 992 A1 ist eine
Freikolbenbrennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskopplung
bekannt, bei der ein frei in einem geschlossenen Zylinder angeordneter
permanentmagnetischer Kolben durch Verbrennungsdruck periodisch hin-
und herbewegt wird und in einer Spule eine Spannung induziert, die
einen Stromfluß bewirkt.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit elektrischem
Lineartrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welche universell
einsetzbar ist.
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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.
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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.
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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 Vorrichtung in jedem Lastbereich optimal betreiben.
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Bei Volllast beispielsweise muß eine große Gasmenge
angesaugt werden. Es ist deshalb ein großer Brennraum erforderlich
und damit auch ein großer
Kolbenhub. Im Teillastbetrieb dagegen ist das Ansaugvolumen reduziert
und das Volumen deshalb zu verringern.
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Der Lineartrieb kann dann auch die
Inbetriebnahme der Vorrichtung unterstützen, indem beispielsweise
die Anfangsverdichtung über
den Lineartrieb gesteuert wird.
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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.
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Auf diese Weise kann dann die Brennkammer
optimal an die Anwendung angepaßt
werden, das heißt
insbesondere das Volumen und die Oberfläche der Brennkammer läßt sich
gezielt anpassen. Dadurch wiederum ergeben sich umfangreiche Steuerungs-
und Regelungsmöglichkeiten.
So ist es möglich,
die Vorrichtung mit unterschiedlichen Brennstoffen 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.
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Es ist sogar möglich, einen kombinierten Otto-Diesel-Motor
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu realisieren.
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Es ist beispielsweise auch möglich, zwischen
2-Taktbetrieb und 4-Taktbetrieb zu wechseln.
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Eine Kolbenaufnahme kann dabei einen
konstanten Innendurchmesser oder einen variierenden Durchmesser
aufweisen und beispielsweise abgestuft ausgebildet sein. Mehrere
Kolbenaufnahmen können
vorgesehen sein, wobei Kolbenaufnahmen paketartig oder auch V-förmig angeordnet
sein können.
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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 einzusetzen.
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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 Vorgabe 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.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
oberer Totpunkt und unterer Totpunkt des Kolbenhubs der Kolbeneinrichtung
definierbar sind, um so eine optimale Anpassung herstellen zu können.
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Um einen variablen Kolbenhub einstellen
zu können,
begrenzt die Kolbeneinrichtung an einem ersten Ende einen Brennraum
und an einem gegenüberliegenden
Ende einen Raum, welcher kein Brennraum ist. Dadurch ist es eben
möglich, über die Steuerung
des Kolbenhubs die Vorrichtung variabel einstellen zu können.
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Insbesondere ist dabei die Verdichtung
im Brennraum über
den Lineartrieb einstellbar, um so eine Optimierung des Systems
erreichen zu können. Dadurch
läßt sich
eben entsprechend ein Betriebspunkt des Systems variabel einstellen.
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Insbesondere ist dann der Brennraum
vor allem hinsichtlich Volumen und Oberfläche einstellbar, um so die
entsprechende Anpassung herstellen zu können.
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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 zugeordnet sein oder eine solche Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung kann mehrere Kolbeneinrichtungen steuern bzw.
regeln.
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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 Brennraum begrenzt. Der
erste Kolben ist der eigentliche Verdichterkolben, auf den die expandierenden
Brenngase wirken, 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.
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Durch das erfindungsgemäße Konzept
kann auch auf die Verwendung einer Zylinderkopfdichtung verzichtet
werden, da die Kolbenaufnahme mindestens im Bereich eines Brennraums
einstückig
herstellbar ist.
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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.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn der
Nicht-Brennraum für
eine Kolbeneinrichtung als Rückfederraum ausgebildet
ist. Über
einen solchen Rückfederraum läßt sich
mechanische Energie während
des Verbrennungsarbeitstaktes aufnehmen, die nicht vom Lineartrieb
ausgekoppelt wird. Die entsprechend gespeicherte Energie kann beispielsweise
bei einem 2-Taktbetrieb zum Verdichten des Brennstoff-Luft-Gemisches
eingesetzt werden oder bei einem 4-Taktbetrieb zum Ausstoßen der
Abgase.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Über
einen steuerbaren/regelbaren Rückfederraum
läßt sich
eine Pumpenfunktion, Verdichtungsfunktion oder Saugfunktion realisieren.
Diese jeweiligen Funktionen können
verwendet werden, um die 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.
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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.
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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.
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Es ist dann günstig, wenn beiden Kolbeneinrichtungen
jeweils ein eigener Brennraum zugeordnet ist, um so eben über expandierende
Verbrennungsgase beide Kolbeneinrichtungen antreiben zu können.
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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.
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Dadurch läßt sich für beide Kolbeneinrichtungen
ein variabler Kolbenhub einstellen, wie er oben beschrieben wurde.
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Es kann vorgesehen sein, daß zwischen
den beiden Kolbeneinrichtungen ein weiterer Brennraum angeordnet
ist, wobei dieser weitere Brennraum insbesondere synchron mit den
beiden äußeren Brennräumen betreibbar
ist (synchron bedeutet hier im wesentlichen im Gegentakt). Auf diese
Weise läßt sich eine
Leistungssteigerung erreichen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn das oder die Ventile für
den Gaswechsel in einem Brennraum 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 die 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.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn Einlaßventile
und/oder Auslaßventile
für einen
Brennraum so angeordnet und so ausgebildet sind, daß eine Gasströmung (Einlaßströmung und/oder
Auslaßströmung) im
wesentlichen längs
einer Brennkammerwand 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 efindungsgemäße 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.
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Bei einer vorteilhaften Variante
einer Ausführungsform
ist ein Lader vorgesehen, um den Gaswechsel in einem Brennraum oder
den Brennräumen zu
steuern. Es läßt sich
dann mit geringem Energieaufwand der Gaswechsel steuern.
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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.
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Insbesondere ist der Lader dabei
mit einem oder mehreren Brennräumen
für die
jeweiligen Kolbeneinrichtungen verbunden, um einen entsprechend
synchronisierten Gaswechsel bezüglich
der Brennräume
durchführen
zu können.
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Bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform
sind die Kolbeneinrichtungen über
Planschschmierung geschmiert.
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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.
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Insbesondere sind dabei Wicklungen
der Statorvorrichtung als Heizelemente eingesetzt, so daß hierzu
kein erhöhter
konstruktiver Aufwand nötig ist.
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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 Läufervorrichtung
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.
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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.
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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.
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Günstigerweise
sind die Magnetelemente und die Flußleitelemente alternierend
angeordnet, um hohe Induktionsspannungen während der Bewegung der Läufervorrichtung
relativ zu der Statorvorrichtung erzeugen zu können.
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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.
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Bei den Magnetelementen kann es sich
um Permanentmagnetelemente handeln 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.
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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.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
haben die Statorvorrichtung und Läufervorrichtung 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.
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Es kann dabei vorgesehen sein, daß zusätzliche
Nebenwicklungen vorgesehen sind, mit denen elektrische Energie auskoppelbar
ist. Über
diese Nebenwicklungen, die an einen gegebenen Energiebedarf und
einen gegebenen 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.
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Der Lineartrieb kann einphasig oder
mehrphasig aufgebaut sein.
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Um eine Induktionsspannung zu erzeugen, umfaßt eine
Statorvorrichtung um die Kolbenaufnahme Wicklungen und insbesondere
umlaufende Haupt-Ringwicklungen. 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.
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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.
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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 Diagnosezwecke
einsetzen. Damit kann beispielsweise die Kraftstoffeinbringung gesteuert
werden, um einen synchronen Lauf bei zwei oder mehreren Kolbeneinrichtungen
zu erreichen.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß die Synchronisierungsvorrichtung
Nebenwicklungen 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.
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Bewegen diese sich asynchron, dann
bewirkt der erzeugte Ausgleichsstrom eine Abbremsung der sich zu
schnell bewegenden Kolbeneinrichtung und eine Beschleunigung der
zu langsam laufenden Kolbeneinrichtung.
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Insbesondere ist der Stromfluß elektrisch steuerbar,
so daß beispielsweise
ein Schwellenwert einstellbar ist, bei dessen Überschreiten ein Synchronisierungsvorgang
durchzuführen
ist.
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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
detektieren, um so beispielsweise auch die Bewegung dieser Kolbeneinrichtungen
zu überwachen.
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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.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn
um die Statorvorrichtung und/oder die Kolbenaufnahme, insbesondere
im Bereich eines Brennraums, 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, welche dann wärmetechnischen
Anwendungen wie beispielsweise der Fahrzeugheizung oder einem Blockheizkraftwerk
zuführbar
ist. Dadurch wiederum wird der effektive Gesamtwirkungsgrad des
Systems erhöht.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen
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1 eine
schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolben-Verbrennungsvorrichtung
mit elektrischem Lineartrieb;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 schematisch
eine Brennkammer;
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5 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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6 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolben-Verbrennungsvorrichtung
mit elektrischem Lineartrieb, welche in 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 beabstandete
zweite Kolbeneinrichtung 20 linear verschieblich sind.
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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.
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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.
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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.
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Der zweite Kolben 24b der
ersten Kolbeneinrichtung 18 ist dem zweiten Kolben 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.
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Zwischen den jeweiligen ersten Kolben 24a, 28a der
beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 und der zugewandten
Zylinderwand 32 bzw. 34 ist eine Brennkammer 36, 38 gebildet,
in welcher Brenngase expandierbar sind, um die zugeordnete Kolbeneinrichtung
(für die
Brennkammer 36 die erste Kolbeneinrichtung 18 und
für die
Brennkammer 38 die zweite Kolbeneinrichtung 20)
anzutreiben.
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Die Abmessungen der jeweiligen Brennkammern 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.
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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, welcher der zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugeordnet
ist.
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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 Kolbeneinrichtung 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.
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Die Läufervorrichtung 46 umfaßt Magnetelemente 50 und
Flußleitelemente 52,
welche auf der zugeordneten Kolbenstange 26 bzw. 30 alternierend angeordnet
sind.
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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.
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Ein Flußleitelement 52 ist
ebenfalls scheibenförmig
hergestellt und aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit
hergestellt. Verwendbar sind beispielsweise Eisen oder magnetisch
leitfähige Pulververbundwerkstoffe.
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Vorzugsweise sind die Magnetelemente 50, insbesondere
wenn es sich um Permanentmagnete handelt, und die Flußleitelemente 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.
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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 angeordnet,
daß gleiche
Pole einander zuweisen.
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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 ausgestaltet ist. Die Läufervorrichtung 46 weist
durch eine solche Zahnstruktur wechselnde magnetische Leitfähigkeiten
auf, so daß hierüber ein
Vortrieb für
eine Kolbeneinrichtung erzeugbar ist.
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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.
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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
Brennkammern 36, 38 und die jeweiligen Oberflächen dieser
Brennkammern 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 Zündeinrichtungen
sind in der Zeichnung nicht gezeigt.)
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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 Brennkammern 36 und 38 genau
festlegen zu können.
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Dadurch läßt sich beispielsweise bei
Volllast, bei der eine große
Ansaugmenge an Luft für
die Brennkammern 36 und 38 erforderlich ist, ein
entsprechend großer
Kolbenhub einstellen, während
bei Teillastbetrieb mit reduziertem Ansaugvolumen ein verringerter
Hub einstellbar ist.
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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.
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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.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein,
daß in
dem Rückfederraum
ein kompressibles Fluid und insbesondere Gas wie Luft aufgenommen
ist, welches eben die Energie aufnimmt und wieder abgibt.
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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 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 (Energiespeichertunktion)
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 2 mit den dortigen Brennräumen 36' und 38').
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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
Regelungseinrichtung 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.
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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.
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Über
das Auslaßventil 62 führt eine
Abgasleitung 72 zu dem Lader 70. Dieser selber
weist eine Zuführung 74 für Ansaugluft
auf und eine Abführung 76 für Abgase
auf.
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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.
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Bei dem Lader 70 handelt
es sich insbesondere um einen Druckwellenlader (Comprex-Lader), bei
dem die Energie des Abgasstromes von den Brennkammern 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.
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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.
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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.
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Ist ein Lader 70 vorhanden,
dann ist die oben beschriebene Variante, bei welcher der Rückfederraum 58 als
Pumpe eingesetzt wird, nicht verwirklicht.
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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 beispielsweise um die Haupt-Ringwicklungen 54 angeordnet
oder neben dieser liegend (in axialer Verlängerung einer Ringwicklungsachse
der Haupt-Ringwicklungen 54).
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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.
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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 Synchronisierungsvorrichtung
ist dabei zumindest bezüglich
ihres Steuerungs- und Regelungsteils von der Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung 56 umfaßt.
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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 Asynchronität in der
Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 ausgleichen,
indem insbesondere die zu schnell laufende Kolbeneinrichtung abgebremst
wird.
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Beim Synchronlauf können diese
Nebenwicklungen 82 dann zur Erzeugung von Strom eingesetzt
werden.
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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 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.
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Es kann noch vorgesehen sein, daß um die Statorvorrichtung 48 eine
Kühlkanäle 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.
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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.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert
wie folgt: 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 Volllast), von dem Brennstoff (Benzin,
Erdgas, Wasserstoff, Diesel, Pflanzenöl usw.) und eventuellen weiteren externen
Parametern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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Das Ansaugen und Verdichten von Luft
und das Ausstoßen
von Abgasen wird vorzugsweise über einen
Druckwellenlader 70 durchgeführt.
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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).
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Durch den Rückfederraum 58 kann
Energie aufgenommen werden, die während des Verbrennungs-Arbeitstaktes
nicht vom Lineartrieb 40 ausgekoppelt wird.
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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.
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Die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b sind
beispielsweise über
eine einfache Planschschmierung 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.
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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 Abstützungswirkung vorgesehen sind.
Dadurch lassen sich Reibungsverluste bei der Bewegung der beiden
Kolbeneinrichtungen 18 und 20 minimieren.
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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.
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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 Remanenzinduktion eingesetzt werden müssen. Insbesondere lassen sich hohe
Leistungsdichten erzielen, wenn die Polteilung in der Läufervorrichtung
und der Statorvorrichtung unterschiedlich ist.
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Der Lineartrieb 40 selber
kann einphasig, zweiphasig, dreiphasig oder multiphasig aufgebaut sein.
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Die Haupt-Ringwicklungen 54 der
entsprechenden Statorvorrichtung 48 können beispielsweise in Eisenpakete
eingebettet sein, um eine Feldführung zu
erreichen.
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Durch die Synchronisierungsvorrichtung
lassen sich die beiden gegenläufig
beweglichen Kolbeneinrichtungen 18, 20 miteinander
synchronisieren, wobei über
einen Ausgleichsstrom insbesondere eine Selbstregelung durchführbar ist.
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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
Detektionsergebnisse 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.
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Die erfindungsgemäße Freikolben-Verbrennungsvorrichtung
läßt sich
beispielsweise im 2-Taktbetrieb oder 4-Taktbetrieb betreiben.
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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel,
welches in 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 1 aufweisen, jedoch mit einem Strich
versehen.
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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' einsaugbar
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.
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Ansonsten funktioniert die Vorrichtung 90 genauso
wie oben beschrieben.
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In den Rückfederraum 94, welcher
eine Pumpenfunktion hat, kann angesaugte Luft vorverdichtet werden,
bevor sie in die Brennräume 36' und 38' gepumpt
wird.
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Bei einem dritten Ausführungsbeispiel,
welches in 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.
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Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 10 und 90 ist
dabei der Zwischenraum zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen 108 und 110 als Brennraum 120 ausgebildet,
indem entsprechend ein Luft-Brennstoff-Gemisch zündbar ist.
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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.
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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.
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Es ist grundsätzlich möglich, daß Kolbeneinrichtungen 140, 142 vorgesehen
sind, zwischen welchen ein Brennraum 144 angeordnet ist
(5).
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Jede Kolbeneinrichtung 140, 142 umfaßt wiederum
ein Paar beabstandeter Kolben 146a, 146b bzw. 148a, 148b.
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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.
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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.
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Bei einem fünften Ausführungsbeispiel einer efindungsgemäßen Freikolben-Verbrennungsvorrichtung
mit Lineartrieb, welches in 6 als
Ganzes mit 202 bezeichnet ist, ist eine Kolbenaufnahme 204 vorgesehen,
in welcher eine einzige Kolbeneinrichtung 206 linear verschieblich
ist. Es können
dabei mehrere solcher Kolbenaufnahmen 204 beispielsweise
zur Stromerzeugung zusammengeschaltet sein, indem sie beispielsweise
paketförmig
gestapelt sind oder jeweils zwei Kolbenaufnahmen V-förmig angeordnet
sind.
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Die Kolbeneinrichtung 206 wiederum
umfaßt einen
ersten Kolben 208 und einen gegenüberliegenden zweiten Kolben 210,
der im wesentlichen zur Abstützung
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.
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Eine Läufervorrichtung 214,
die wie oben beschrieben ausgebildet ist, ist zwischen diesen beiden Kolben 208 und 210 auf
der Kolbenstange 212 angeordnet.
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An der Kolbenaufnahme 204 sitzt
wiederum eine wie oben beschrieben ausgebildete Statorvorrichtung 216.
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Der erste Kolben 208 ist
einem Brennraum 218 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.
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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.
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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.
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Der Lader 226 mit seiner
Ankopplung an den Brennraum 218 funktioniert wie bereits
oben beschrieben.
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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 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.
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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.
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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.