DE102006019582B3

DE102006019582B3 - Two stroke free flight two way piston engine for use as e.g. serial hybrid vehicle, has separate piston devices driven in opposite directions under effect of burnable gases expanding in common combustion chamber

Info

Publication number: DE102006019582B3
Application number: DE200610019582
Authority: DE
Inventors: Steffen Knoefler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-28

Abstract

The piston engine has two separate piston devices, which are driven in opposite directions, under the effect of burnable gases expanding in a common combustion chamber that is provided in a common cylinder. Pressure and temperature of supercharged air are freely selectable by external compressors, intermediate coolers and recuperators. Free-flight pistons are connected by a piston rod with each rotor device of the linear generator in a fixed or flexible manner. The piston devices are fixed by a mechanical or hydraulic, freely controllable clamping device, with respect to the cylinder.

Description

Intention der vorliegenden Erfindung ist es, alle Vorteile des Freikolbenprinzips konsequent für Anwendungen, welche nicht primär eine gleichmäßige Rotationsbewegung, wie serielle Hybridfahrzeuge und Blockheizkraftwerken, erfordern, in einer Verbrennungskraftmaschine mit möglichst geringen Anforderungen an Technologie und Regelaufwand zu vereinigen. Natürlich ist auch eine Modulbauweise in Sinne einer Mehrzylinderanlage möglich. Durch die thermodynamische Überlegenheit großer Brennräume und das gute Teillastverhalten erscheint aber eine Einzylinderauslegung für die Mehrheit der Anwendungsfälle vollkommen ausreichend.intention The present invention is to provide all the advantages of the free piston principle consistent for applications, which are not primary a uniform rotational movement, like serial hybrid vehicles and combined heat and power plants, in an internal combustion engine with the lowest possible requirements to combine technology and control effort. of course is Also a modular design in terms of a multi-cylinder system possible. By thermodynamic superiority greater combustion chambers and the good part load behavior but appears a Einzylinderauslegung for the Majority of use cases perfectly adequate.

Durch das gleichmäßige Drehen der Kurbelwelle ist der Kolben jedes Hubkolbenmotors mit Kurbelwelle und Schwungrad (im Folgenden „Kurbelmotor") in eine harmonische Bewegung gezwungen. Dies führt durch hohe thermische Belastung und Kompromissen beim Gaswechsel zu einer deutlichen Verringerung des innermotorischen Gütegrades.By the uniform turning The crankshaft is the piston of each reciprocating engine with crankshaft and flywheel (hereinafter "crank motor") in a harmonic Forced movement. this leads to due to high thermal load and compromises when changing gas to a significant reduction in the internal engine quality.

Zum Zeitpunkt der Zündung befindet sich ein Kolben eines Kurbelmotors in einem Zustand sehr niedriger Geschwindigkeit. (bei genau OT ist diese Null) und maximaler Beschleunigung. Die gleichen Verhältnisse finden sich so auch beim Freikolbenmotor, nur dass hier die Beschleunigung nicht durch eine Kreisfunktion bestimmt ist, sondern hauptsächlich durch die realen Druckverhältnisse im Brennraum. Und diese bewirken eine bedeutend höhere Anfangsbeschleunigung eines Freikolbens gegenüber dem eines Kurbelmotors bei gleicher „Drehzahl". Da dieser Zustand auch von einer extrem hohen Temperatur gekennzeichnet ist, ist es sowohl aus thermodynamischer als auch aus werkstofflicher Sicht wünschenswert, diese Phase so kurz wie möglich zu halten, also eine Abkühlung des Brenngases durch Expansion und nicht durch Wärmeübergang zu erzielen. Beim Freikolbenmotor wird die innere Energie des Gases viel schneller in kinetische Energie des Kolbens zwischengespeichert, und dann erst mittels eines Lineargenerators in elektrische Energie gewandelt.To the Time of ignition is a piston of a crank motor in a state very low Speed. (at exactly OT this is zero) and maximum acceleration. The same conditions can be found so synonymous with the free-piston engine, except that here the acceleration is not determined by a circular function, but mainly by the real pressure conditions in the combustion chamber. And these cause a significantly higher initial acceleration a free piston opposite that of a crank motor at the same "speed" characterized by high temperature, it is both thermodynamic as well as from a material point of view, this phase so short as possible to hold, so a cooling off of the fuel gas to achieve by expansion and not by heat transfer. With free-piston engine The internal energy of the gas becomes much faster into kinetic energy the piston cached, and then only by means of a linear generator converted into electrical energy.

Beim Kurbelmotor kommt es darüber hinaus durch die Kurbelgeometrie und drehzahlabhängige Massenkräfte zu erheblichen Reibungsdrücken und damit geringerem mechanischen Wirkungsgrad und höherem Verschleiß.At the Crank engine comes about it Beyond by the crank geometry and speed-dependent mass forces to considerable friction Press and thus lower mechanical efficiency and higher wear.

Aus der erzwungenen Bewegungsform des Kolbens beim Kurbelmotor resultieren ebenfalls suboptimale Gaswechselvorgänge, welche lediglich durch das Vier-Takt-Prinzip zufriedenstellend gelöst werden können. Die konsequente Nutzung eines kurzen Kolbenstillstandes im oberen Totpunkt ermöglicht im Freikolbenmotor, auch im Zweitakt-Betrieb, einen guten Ladungswechsel mit geringem Luftaufwand und hohem Fanggrad.Out the forced movement of the piston in the crank motor result also suboptimal gas exchange processes, which only by the four-stroke principle can be satisfactorily solved. The consistent use a short piston stop at top dead center allows in Free-piston engine, even in two-stroke operation, a good charge change with low air consumption and high degree of catching.

Stand der TechnikState of technology

In etlichen Patentanmeldungen sind zwar durchaus Verbrennungskraftmaschinen in Freikolbenausführung beschrieben, beanspruchen aber nicht die hier vorgestellten Synergien für die Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades einer Freikolbenkraftmaschine. So fehlt in den folgenden, verwandten Patenten sowohl die Fixierung der Kolbenvorrichtungen im oberen Totpunkt, als auch die Vorsehung einer „freien Parametrisierung" der Ansaugluft.In Although quite a few patent applications are indeed internal combustion engines in free piston version but do not claim the synergies presented here for the Achieve as much as possible high efficiency of a free piston engine. So missing in the following, related patents both the fixation of the piston devices at top dead center, as well as the providence of a "free Parameterization "the Intake air.

In Patent DE 102 54 037 A1 ist eine Zwei-Takt-Zweizylinder-Freikolbenbrennkraftmaschine beschrieben, welche aus zwei gleichachsig hintereinander angeordneten, abwechselnd befeuerten Zylindern besteht. Die innen- und außen liegenden Kolben, der die beiden Brennräume begrenzenden Gegenkolbenpaare sind dabei jeweils miteinander über ein Gestänge verbunden und bilden so eine gemeinsame Kolbenvorrichtung.In patent DE 102 54 037 A1 is described a two-stroke two-cylinder free piston internal combustion engine, which consists of two coaxially arranged one behind the other, alternately fired cylinders. The inner and outer piston, the two combustion chambers limiting mating piston pairs are each connected to each other via a linkage and thus form a common piston device.

Über eine getaktete Spannungsbeaufschlagung wird eine Feinregulierung der Bewegung der beiden Kolbenvorrichtungen durch einen Lineargenarator gewährleistet.Over a pulsed voltage application is a fine regulation of Movement of the two piston devices by a linear generator guaranteed.

Die wohl größte Nähe der hier vorgestellte Erfindung besteht zum Patent „Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb" ( DE 102 19 549 B4 ). Unterscheidende Merkmale bestehen vor allem in der möglichen Betriebsweise nach dem Viertaktprinzip und Dieselprozess, den fehlenden Stillstandszeiten der Kolbeneinrichtung, der adiabaten Frischgasverdichtung, sowie der Verwendung des Lineargenerators als Motor im laufenden Betrieb.Probably the greatest proximity of the invention presented here is the patent "free-piston combustion device with electric linear drive" ( DE 102 19 549 B4 ). Distinguishing features exist above all in the possible operation according to the four-stroke principle and diesel process, the lack of downtime of the piston device, the adiabatic fresh gas compression, and the use of the linear generator as a motor during operation.

Der Antrieb der beiden Kolbenvorrichtungen erfolgt dort durch zwei außen liegende Brennkammern und ein gemeinsames mittiges Federelement. Mit der hier beanspruchten Ausführung (ein zentraler Brennraum und zwei äußere Federelemente) wird sich ein besseres Betriebsverhalten durch eine Brennraumvergrößerung, sowie eine leichter zu realisierende Synchronisierung der beiden Kolbenvorrichtungen versprochen. Eine weitere Unterscheidung betrifft die Nutzung eines unterschiedlichen Verdichtungsverhältnisses (untere Totpunkt) für eine Leistungsmodulation und die Umkehrspühlung für den Gasladungswechsel. Die Nutzung der Kolbenstillstandszeiten für eine Realisierung von Gaswechsel und Leistungsmodulation, wie in diesem Patent vorgeschlagen, scheinen jedoch eine bessere Lösung dieser Erfordernisse zu gewährleisten.Of the Drive of the two piston devices takes place there by two outside Combustion chambers and a common central spring element. With the here claimed execution (a central combustion chamber and two outer spring elements) will become a better performance through a combustion chamber enlargement, and an easier to sync the two Piston devices promised. Another distinction concerns the use of a different compression ratio (bottom dead center) for a power modulation and reverse cooling for the gas charge change. The Use of the piston downtime for a realization of gas exchange and power modulation as suggested in this patent but a better solution to ensure these requirements.

Die Nutzung aller drei Räume zweier in einem gemeinsamen Zylinder axial angeordneter Zylinder als Brennkammern wird in der US-Patentschrift 4,924,956 vorgeschlagen. Hauptanliegen ist hier die Abschaffung eines externen Kompressors für die Erzeugung der Druckluft durch Ausnutzung des so genannten „Kandenacy-Effekts". Hierbei werden Unterdruckverhältnisse in den Brennräumen für die Befüllung derselben ausgenutzt.The use of all three rooms of two in egg A common cylinder of axially arranged cylinders as combustion chambers is proposed in US Pat. No. 4,924,956. The main concern here is the abolition of an external compressor for the production of compressed air by utilizing the so-called "kandenacy effect." In this case, negative pressure conditions in the combustion chambers for the filling of the same exploited.

Die vier Phasen einer erfindungsgemäßen VerbrennungskraftmaschineThe four phases of one Internal combustion engine according to the invention

1. Das Kolbenpaar befindet sich in seinem oberen Totpunkt und wird mit komprimierter Ladeluft aus dem Ladeluftspeicher über das Einlassventil gefüllt. Durch eine Fixierung der Kolbeneinrichtungen mittels einer Feststellvorrichtung wird eine Kolbenbewegung während dieses Druckanstieges im Brennraum verhindert. Die Gemischbildung wird bevorzugt mittels einer indirekten oder direkten Kraftstoffeinspritzung realisiert.1. The piston pair is in its top dead center and is supplied with compressed charge air from the charge storage via the Inlet valve filled. By fixing the piston devices by means of a locking device becomes a piston movement during prevents this pressure increase in the combustion chamber. The mixture formation is preferred by means of indirect or direct fuel injection realized.
2. Schließen des Einlassventils, Zündung des Kraftstoffgemisches und Freigabe der Kolbenfixierung.2. Close intake valve, ignition of the fuel mixture and release of the piston fixation.
3. Beschleunigung des Kolbens und Abbremsung durch den Lineargenerator bis in den unteren Totpunkt 3. Die sehr hohe Anfangsbeschleunigung ist verbrennungstechnisch äußerst günstig und verringert die thermische Belastung durch sehr schnelle Expansion. Durch die Kompressionsfedern wird die Bewegungsrichtung der Kolbenvorrichtugen in den unteren Totpunkten umgekehrt. Öffnen des Auslassventils.3. Acceleration of the piston and deceleration by the linear generator until the bottom dead center 3. The very high initial acceleration is combustion technology extremely cheap and reduced the thermal load due to very fast expansion. By the Compression springs become the direction of movement of the piston devices vice versa in the bottom dead centers. Opening the exhaust valve.
4. Die kinetische Energie der Kolbenvorrichtungen bewerkstelligt die Ausstoßung des Abgases und die Lineargeneratoren den Stillstand derselben im oberen Totpunkt. Idealerweise treffen die beiden Kolbeneinrichtungen mit geringer Geschwindigkeit zeitgleich am oberen Totpunkt ein und werden dort sofort durch die Feststellvorrichtung fixiert. Schließen des Auslassventils.4. The kinetic energy of the piston devices accomplished the ejection of the exhaust gas and the linear generators standstill in the same top dead center. Ideally, the two piston devices meet at low speed at the same time at top dead center and are fixed there immediately by the locking device. Close the Exhaust valve.

Gaswechsel/GemischbildungGas exchange / carburetion

Mittels mehrstufiger Kompression und Zwischenkühlung der Ladeluft durch möglichst isentrope mechanisch angetriebende Turboverdichter werden zwei wichtige Ziele realisiert. Zum einen wird der Arbeitsaufwand für die Kompression der Frischluft deutlich gesenkt, zum anderen kann ihre Temperatur unabhängig vom Ladedruck gewählt werden. Dies erlaubt höhere Verdichtungsverhältnisse als beim klassischen Otto-Prozess mit einem Viertakt-Kurbelmotor. Der Begriff „isotherm" ist dabei nicht zu wörtlich zu nehmen, da es vorrangig um eine Kontrolle (und Verringerung) der Temperatur der Ansaugluft geht, als um eine wirklich isotherme Kompression. So erscheint z.B. eine n-stufige Kompression mit n-1 Zwischenkühlungen als vollkommen ausreichend, wobei n günstigerweise zwei bis vier betragen sollte. Die Turboverdichter und Zwischenkühler arbeiten dabei unabhängig von der eigentlichen Verbrennungskraftmaschine und halten lediglich einen bestimmten Druck im Ladeluftspeicher aufrecht, aus welchem die Ladeluft über das Einlassventil in den Brennraum gelassen wird. Da durch den geringen Liefergrad und die hohe Verdichtung das Brenngas im unteren Totpunkt schon bedeutend weiter entspannt wurde, als im Kurbelmotor üblich, wird auf eine Turboaufladung verzichtet. Die Enthalpie des Abgases wird allerdings durch eine isobare Erwärmung der Ladeluft mittels Rekuperator noch teilweise genutzt. Diese Verknüpfung isotherme Kompression mit isobarer Erwärmung erspart Kompressionsarbeit gegenüber einer isentropen Kompression zum gleichen Zustand.through Multi-stage compression and intermediate cooling of the charge air through as possible Isentropic mechanically driven turbocompressors become two important Realized goals. Firstly, the workload for the compression the fresh air significantly lowered, on the other hand, their temperature can be independent of Boost pressure selected become. This allows higher compression ratios as in the classic Otto process with a four-stroke crank motor. Of the Term "isothermal" is not too literally because it is a matter of control (and reduction) the temperature of the intake air goes as to a really isothermal Compression. For example, an n-stage compression with n-1 intercooling as perfectly adequate, where n is conveniently two to four should be. The turbocompressors and intercoolers work independent from the actual internal combustion engine and just stop maintains a certain pressure in the charge storage, from which the charge air over the inlet valve is left in the combustion chamber. Because of the low Degree of delivery and high compression of the fuel gas at bottom dead center has been significantly further relaxed than usual in the crank motor is waived a turbocharger. The enthalpy of the exhaust gas is However, by an isobaric heating of the charge air by means of recuperator still partially used. This linkage isothermal compression with isobaric warming saves compression work an isentropic compression to the same state.

Der Druck im Ladeluftspeicher wird ausschließlich von der Kompressorkaskade mit maximaler Zwischenkühlung geregelt und die Temperatur von einem Thermostat, welches je nach Abweichung der Ist-Temperatur von der Soll-Temperatur Abgas über einen Wärmetauscher (Rekuperator) des Ladeluftspeichers führt. Die Solltemperatur kann dabei unabhängig oder abhängig vom gewünschten Lastzustand sein, wobei in beiden Fällen ein vollständiger Druckausgleich zwischen Ladeluftspeicher und Brennraum angenommen wird. Im ersten Fall wird der Brennraum in Phase 1 immer mit der gleichen Luftmenge bei gleichem definierten Zustand gefüllt, welcher so gewählt ist, dass eine gute Zündwilligkeit und Klopffestigkeit bei allen möglichen Luftverhältnissen (Einspritzmengen) gewährleistet ist.Of the Pressure in the charge air reservoir is exclusively determined by the compressor cascade with maximum intermediate cooling regulated and the temperature of a thermostat, depending on Deviation of the actual temperature from the target temperature exhaust gas over a heat exchangers (Recuperator) of the charge air reservoir leads. The set temperature can independent or dependent of the desired Last state, in both cases, a complete pressure equalization between charge storage and combustion chamber is assumed. In the first Case, the combustion chamber in phase 1 always with the same amount of air filled at the same defined state, which is chosen so that good sparkle and Anti-knocking at all possible air conditions Guaranteed (injection quantities) is.

Im zweiten Fall wird der Liefergrad durch eine Temperaturerhöhung der Ladeluft gesenkt. Dies führt zu höheren thermischen Wirkungsgraden und verbesserter Zündwilligkeit des Kraftstoff/Luftgemisches durch konstantere Luftverhältnisse im Teillastbetrieb, ohne dass die Befüllung des Brennraumes mit Fischluft durch das Einlassventil gesteuert zu werden braucht. Es ist lediglich genügend Zeit für einen vollständigen Druckausgleich zwischen Druckspeicher und Brennraum zu gewährleisten.in the second case, the degree of delivery by a temperature increase of Charge air lowered. this leads to to higher thermal efficiencies and improved ignition of the fuel / air mixture through more constant air conditions in part-load operation, without the filling of the combustion chamber with fish air needs to be controlled by the inlet valve. It's just enough time for a complete one To ensure pressure equalization between accumulator and combustion chamber.

Eine variable Kraftstoffmenge wird in Abhängigkeit vom gewünschten Lastzustand in den Brennraum eingespritzt, wobei eine Schichtladung besonders im Betrieb mit hohem Luftverhältnis und konstantem Liefergrad (Fall 1) sehr vorteilhaft ist.A Variable amount of fuel will depend on the desired Load state injected into the combustion chamber, wherein a layer charge especially in operation with high air ratio and constant delivery (Case 1) is very beneficial.

Wird eine noch weitere Absenkung der Teillast gefordert, welche zu hohe Luftverhältnisse für eine sichere Zündung zur Folge hätte, erfolgt eine Verzögerung der Phasen 1 und 2 über das erforderliche Zeitmaß für den Gaswechsel und die Gemischbildung hinaus. Dies kommt auch als alleiniger oder vorrangiger Mechanismus der Leistungsmodulation in Frage.Becomes a further reduction of the partial load required which too high air conditions for one safe ignition would result there is a delay the phases 1 and 2 over the time required for the gas exchange and the mixture formation out. This also comes as a sole or priority Mechanism of power modulation in question.

Beiden Varianten ist gemeinsam, dass die Kolbenabbremsung unabhängig von Gaswechsel/Gemischbildung realisiert wird, und der Kolben im oberen Totpunkt einen bestimmten Zeitraum verweilt, was eine wichtige Möglichkeit des Freikolbenmotors im Unterschied zum Kurbelmotor darstellt.Both variants have in common that the Piston deceleration is realized independently of gas exchange / mixture formation, and the piston dwells at top dead center for a certain period of time, which is an important possibility of the free-piston engine in contrast to the crank motor.

Der BrennraumThe combustion chamber

Der obere Totpunkt ist durch die Berührung der beiden Kolben bzw. durch deren Anschlag an einer der Zylinderwand vorstehenden Erhebung gekennzeichnet. Eine konkave Wölbung der beiden Kolbenböden stellt eine geeignete Form des Brennraumes und gewährleistet den Platzbedarf für die Ventile, die Zündkerze und die Einspritzdüse. Ein- und Auslassventil sind dabei gegenüberliegend in der Zylinderwand eingebracht und elektronisch steuerbar. Durch den sequentiellen Gaswechsel ist auch nur ein direktes Ventil für den Brennraum realisierbar, welches wie das Auslassventil öffnet und wie das Einlassventil schließt. Der Gasstrom wird dann durch Ventile außerhalb des Brennraumes gesteuert. Ein Vorteil dieser Variante besteht in der Bauteileinsparung des Brennraumes (Zündkerze und Einspritzdüse gegenüber dem Kombiventil), ein Nachteil im erhöhten Luftaufwand.Of the top dead center is due to the touch of the two pistons or by their stop on one of the cylinder wall above survey marked. A concave curvature of the both piston bottoms provides a suitable shape of the combustion chamber and ensures the space required for valves, a spark plug and the injector. Inlet and outlet valves are opposite in the cylinder wall introduced and electronically controlled. By the sequential Gas exchange is also only a direct valve for the combustion chamber feasible, which as the exhaust valve opens and how the inlet valve closes. The gas flow is then through valves outside controlled by the combustion chamber. An advantage of this variant is in the component savings of the combustion chamber (spark plug and injector with respect to the Combi valve), a disadvantage in the increased air consumption.

Anforderungen an den Lineargeneratorconditions to the linear generator

Nähere technische Ausführungen zum Lineargenerator werden mit diesem Patent nicht erhoben und sind Stand der Technik. Folgende Eigenschaften des Linerargenerators werden jedoch für eine Realisierung des Gesamtkonzepztes notwendig.Further technical versions to the linear generator are not collected with this patent and are State of the art. Following properties of the Linerargenerators However, for a realization of the overall concept necessary.

Vorteilhaft ist eine Ansteuerung der Lineargeneratoren, welche die Leistungsabnahme über die Phasen 3 und 4 des modifizierten Otto-Prozesses allein in Abhängigkeit von Weg und Momentangeschwindigkeit der jeweiligen Kolbeneinrichtung dergestalt realisiert, dass die Kolbeneinrichtungen mit einer geringen Geschwindigkeit die obere Totpunktlage erreichen. So erscheint eine progressive oder lineare Leistungsabnahme in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit von Statorwicklung und Läufervorrichtung sinnvoll. Sowohl eine Verfehlung dieser Zielvorgabe als auch eine Abweichung von einer Synchronbewegung müssen durch die Lineargeneratoren ausgeregelt werden können.Advantageous is a control of the linear generators, which reduces the power over the phases 3 and 4 of the modified Otto process alone depending of travel and instantaneous speed of the respective piston device realized in such a way that the piston devices with a small Speed to reach the top dead center. So one appears progressive or linear power decrease depending on the relative speed of stator winding and rotor device meaningful. Both a failure of this target and a Deviation from a synchronous movement must be through the linear generators can be corrected.

Da eine Leistungsmodulation durch ein erhöhtes Luftverhältnis/verringerten Liefergrad zu geringeren Mitteldrücken und damit geringeren Beschleunigung und Geschwindigkeiten der Kolbeneinrichtungen führt, braucht die Kennung des Lineargenerators im Teillastbereich nicht gesondert angepasst zu werden. Das heißt, mit einer geeigneten Kennung (Leistungsabnahme als Funktion der Momentangeschwindigkeit) können bei verschiedenen Lastzuständen sowohl die geforderte Kolbenführung (Stillstand in oberen Totpunkt), als auch eine geringere Stromabnahme, als auch ein verlängertes Arbeitsspiel realisiert werden. Durch diesen Mechanismus allein sind Leistungsminderungen in der zweiten Potenz (und höher) der Variabilität des Luftverhältnisses oder Liefergrades möglich.There a power modulation by an increased air ratio / reduced Degree of delivery to lower mean pressures and thus lower acceleration and speeds of the piston devices, needs the identifier of the Linear generator in the partial load range not adapted to separately become. This means, with a suitable identifier (decrease in performance as a function of Instantaneous speed) at different load conditions both the required piston guide (standstill in top dead center), as well as a lower current decrease, as well an extended one Working game can be realized. By this mechanism alone are reductions in second potency (and higher) variability the air ratio or Degree of delivery possible.

In Verbindung mit Verzögerungen durch Festhalten der Kolbeneinrichtungen im oberen Totpunkt durch die Feststellvorrichtung über den Zeitbedarf für den Ladungswechsel und die Gemischbildung hinaus, ist zusätzlich eine Leistungsmodulation möglich.In Connection with delays by holding the piston devices at top dead center the locking device over the time needed for the charge change and mixture formation addition, is an additional Power modulation possible.

Vorteile eines erfindungsgemäßen Ein-Zylinder-Zwei-Takt-Freikolben-MotorsAdvantages of a one-cylinder two-stroke free-piston engine according to the invention

1. Deutliche Wirkungsgradsteigerung durch isotherme Kompression der Verbrennungsluft, hohes Verdichtungsverhältnis, hohe Kolbenbeschleunigung und geringe Reibungsverluste1. Significant increase in efficiency through isothermal Compression of combustion air, high compression ratio, high Piston acceleration and low friction losses
2. Geringere Schadstoffbildung (NO_x) durch Absenkung des Temperaturniveaus2. Lower pollutant formation (NO _x ) by lowering the temperature level
3. Konsequente Nutzung der Möglichkeit eines kontrollierten Kolbenstillstandes im oberen Totpunkt für Ladungswechsel, Gemischbildung und Leistungsmodulation3. Consistent use of the possibility a controlled piston stop at top dead center for gas exchange, Mixture formation and power modulation
4. Vollständiger Massenausgleich durch gegenläufiges Kolbenpaar4. Complete Mass compensation by opposing piston pair
5. Abnahme der elektrischen Leistung über den gesamten Weg der Kolbeneinrichtungen5. Decrease in electrical power over the entire path of the piston devices
6. Größerer Hubraum gegenüber Kurbelmotoren gleicher Abmessung und damit guter Ausgleich der geringeren spezifischen Leistung6. Bigger displacement across from Crank engines of the same size and thus good compensation of the lower specific performance

Claims

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor mit Lineargenerator, umfassend zwei getrennte Kolbenvorrichtungen, welche unter der Wirkung von in einem gemeinsamen Brennraum expandierenden Brenngasen, in einem gemeinsamen Zylinder gegenläufig antreibbar sind, gekennzeichnet dadurch, dass Druck und Temperatur der Ladeluft durch externe Kompressoren, Zwischenkühler und Rekuperatoren frei wählbar ist.Two-stroke free-flight piston engine with linear generator, comprising two separate piston devices which under the action from in a common combustion chamber expanding fuel gases, in a common cylinder are driven in opposite directions, characterized characterized in that pressure and temperature of the charge air by external compressors, intercooler and recuperators freely selectable is.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die korrespondierenden Freiflugkolben über je eine Kolbenstange mit je einer Läufervorrichtung eines Lineargenerators starr oder elastisch verbunden sind.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1, characterized in that the corresponding free-flowing piston via one each Piston rod, each with a rotor device a linear generator are rigidly or elastically connected.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Kolbenstange über ein Linearlager eine Abstützung des jeweiligen Kolbens gewährleistet und eine Kippbewegung der Kolbenvorrichtung verhindert. Durch eine Profilierung von Linearlager und Kolbenstange wird eine Verdrehung der Kolbenvorrichtung im Zylinder ausgeschlossen.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 2, characterized in that the piston rod ensures a support of the respective piston via a linear bearing and prevents a tilting movement of the piston device. By profiling of linear bearing and piston rod is a rotation of the piston device in the cylinder locked out.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Kolbenvorrichtungen durch eine mechanische oder hydraulische, frei steuerbare Feststellvorrichtung bezüglich des Zylinders fixierbar sind.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 3 characterized in that the piston devices by a mechanical or hydraulic, freely controllable locking device in terms of of the cylinder are fixable.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass die nach Anspruch 1 komprimierte Ladeluft in einem Ladeluftspeicher bevorratet wird, dessen Druck durch eine mechanische Aufladung mittels einer mehrstufigen Kompressoren-Zwischenkühler-Kaskade aufrechterhalten wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 4 characterized in that the compressed according to claim 1 Charge air is stored in a charge storage, its pressure by a mechanical charge by means of a multi-stage compressor-intercooler cascade is maintained.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Ladeluft vor Einströmen in den Brennraum durch Rekuperatorkontakt mit dem Abgasstrom isobar erwärmbar ist.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 5, characterized in that the charge air before flowing into the Combustion chamber is heated isobaric by Rekuperatorkontakt with the exhaust stream.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 und 6 gekennzeichnet dadurch, dass die synchron gegenläufigen Kolbenvorrichtungen in fest definierten unteren Totpunkten durch je eine elastische Kompressionsfeder eine Umkehr der Bewegungsrichtung erfahren.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 and 6 characterized in that the synchronously opposed piston devices in firmly defined bottom dead centers by a respective elastic Compression spring experienced a reversal of the direction of movement.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass der obere Totpunkt der Kolbenvorrichtungen durch einen Anschlag, welcher von der Zylinderwand in den Brennraum hineinragt und/oder die Berührung der beiden Kolbenböden definiert ist.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 7, characterized in that the top dead center of the piston devices by a stop, which from the cylinder wall into the combustion chamber protrudes and / or the touch the two piston bottoms is defined.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass durch die Leistungsabnahme in den Statorwicklungen der Lineargeneratoren sowohl ein synchroner Bewegungsablauf der Kolbenvorrichtungen realisiert wird, als auch diese bis zur oberen Totpunktlage vollständig abgebremst werden, bzw. mit definierter geringer Geschwindigkeit im oberen Totpunkt auftreffen.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 8 characterized in that by the power decrease in the stator windings of the linear generators both a synchronous Movement of the piston devices is realized, as well these are completely decelerated to the top dead center, or hit with a defined low speed at top dead center.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 9 gekennzeichnet dadurch, dass die Leistungsabnahme der Linerargeneratoren in Abhängigkeit von Weg und Momentangeschwindigkeit der jeweiligen Kolbenvorrichtung erfolgt.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 9 characterized in that the power decrease of the Linerargeneratoren dependent on of travel and instantaneous speed of the respective piston device he follows.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass eine Abweichung der Zielsetzung in Anspruch 9 durch die Steuerung nach Anspruch 10, durch die Lineargeneratoren ausregelbar ist.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 10, characterized in that a deviation of the objective in claim 9 by the controller of claim 10, by the linear generators is adjustable.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 11 gekennzeichnet dadurch, dass eine Leistungsabnahme durch die Lineargeneratoren in beide Bewegungsrichtungen der Kolbenvorrichtungen erfolgt.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 11 characterized in that a power decrease by the linear generators in both directions of movement of the piston devices he follows.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 12 gekennzeichnet dadurch, dass der Brennraum durch eine entsprechende konvexe Ausbildung der Kolbenböden eine günstige Brennraumform im oberen Totpunkt bildet, als auch Raum für die Einbringung von Ventilen, sowie Zünd- und Einspritzvorrichtungen ermöglicht.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 12 characterized in that the combustion chamber by a corresponding convex design of the piston crowns a cheap one Combustion chamber form at top dead center, as well as space for the introduction of valves, as well as ignition and injectors.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 13 gekennzeichnet dadurch, dass über mindestens je ein Ein- und Auslassventil, welche in der Zylinderwand sitzen, der Gaswechsel realisiert wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 13, characterized in that at least one each and exhaust valve, which sit in the cylinder wall, the gas exchange is realized.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 14 gekennzeichnet dadurch, dass der Ausstoß des Abgases durch ein Öffnen des Auslassventils im unteren Totpunkt der Kolbenvorrichtungen bis zum Erreichen des oberen Totpunktes realisiert wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 14 characterized in that the exhaust of the exhaust gas by opening the Exhaust valve at bottom dead center of the piston devices to the Reaching the top dead center is realized.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 15 gekennzeichnet dadurch, dass die Ladeluftzufuhr durch ein Öffnen des Einlassventils nach Schließen des Auslassventils (keine Ventilüberschneidung) bewerkstelligt wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 15 characterized in that the charge air supply by opening the Intake valve after closing the exhaust valve (no valve overlap) is accomplished.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 16 gekennzeichnet dadurch, dass eine homogene oder geschichtete Gemischbildung durch mindestens ein Einspritzventil realisiert wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 16 characterized in that a homogeneous or layered Mixture formation is realized by at least one injection valve.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 17 gekennzeichnet dadurch, dass das Zusammenspiel von Ventilen, Feststell-, Zünd- und Einspritzvorrichtungen durch eine gemeinsame elektronische Steuereinheit gesteuert wird.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 17 characterized in that the interaction of valves, Locking, ignition and injectors by a common electronic control unit is controlled.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 18 gekennzeichnet dadurch, dass nach Erreichen des oberen Totpunktes bis zur Zündung des Gemisches, die beiden Kolbenvorrichtungen nach Anspruch 4 fixiert werden.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 18 characterized in that after reaching the top Dead center until ignition of the mixture fixing the two piston devices according to claim 4 become.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 19 gekennzeichnet dadurch, dass eine Leistungsmodulation durch Verlängerung der Fixierung der Kolbenvorrichtung durch die Feststellvorrichtung realisiert werden kann.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 19 characterized in that a power modulation by renewal the fixation of the piston device by the locking device can be realized.

Zweitakt-Freiflug-Gegenkolbenmotor nach Anspruch 1 bis 20 gekennzeichnet dadurch, dass der Kolben und das Linearlager durch Planschmierung geschmiert werden.Two-stroke free-flight piston engine according to claim 1 to 20 characterized in that the piston and the linear bearing be lubricated by flat lubrication.