DE102008030633B4

DE102008030633B4 - Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung

Info

Publication number: DE102008030633B4
Application number: DE200810030633
Authority: DE
Inventors: Sven-Erik Dr. Pohl; Markus Dr. Gräf
Original assignee: UMC Universal Motor Corp GmbH
Current assignee: TRIVIUM BUSINESS DEVELOPMENT COMPANY AG, CH
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: WO2009156257A1; DE102008030633A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist.
Entsprechende Freikolbenvorrichtungen sind beispielsweise aus der WO 03/091556 A1 und der EP 1 398 863 A1 bekannt.
Aus der WO 2007/147789 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei welchem die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Sollwert mindestens einer Zustandsgröße eines Gases im Rückfederraum vorgegeben wird, der Istwert erfasst wird und bei Abweichung vom Sollwert zumindest näherungsweise an denselben angeglichen wird.
Steuerungs- und Regelungsverfahren für Freikolbenvorrichtungen sind in dem Artikel ”Free-Piston Diesel Engine Timing and Control – Towards Electronic Cam- and Crankshaft” von T. A. Johansen et al., in IEEE Trans. Control Systems Technology, 10(188–190), 2002, und ”Dynamics and Control of a Free-Piston Diesel Engine” von T. A. Johansen et al., in Proc. American Control Conference, Arlington, VA., 2001, beschrieben.
Aus der DE 43 44 915 A1 ist ein Linearverbrennungsmotorgenerator bekannt, bei dem zwei gegenüberliegende, nach Zweitakt-Prinzip arbeitende Kolben einen Läufer mit einem oder mehreren spulenförmigen Magnetpolpaaren zu Hin- und Her-Linearbewegungen bringen und dadurch am zylinderförmigen Ständer in den Wicklungen elektrischen Strom erzeugen.
Aus der DE 198 13 992 A1 ist eine Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskopplung bekannt. Es ist ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder vorgesehen, welcher durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird. Die Energieauskopplung erfolgt auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum angeordnete Spulen.
In dem Artikel ”Vergleich von Gasfedervarianten mit variabler Kennlinie für einen Freikolbenmotor” von S.-E. Pohl und C. Ferrari, Forsch. Ingenieurwesen (2007) 71: Seiten 181 bis 188, sind Gasfedervarianten beschrieben, die aufgrund ihrer einstellbaren Federkennlinie für den Einsatz in einem Freikolbenmotor geeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich bei einer Freikolbenvorrichtung Hubraum und/oder Verdichtung auf stabile Weise einstellen lassen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.
Eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung ist ein kompletter Zyklus einer Bewegung beginnend von einem Startpunkt, wobei einmal der obere Totpunkt und der untere Totpunkt der Kolbenbewegung durchlaufen wird. Eine Periode einer Kolbenbewegung umfasst insbesondere eine Kompressionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom unteren Totpunkt bis zum oberen Totpunkt und eine Expansionsphase im Expansionsraum für die Bewegung vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt. Der Startpunkt ist dabei grundsätzlich beliebig. Beispielsweise ist der Startpunkt der untere Totpunkt.
Die Regelungsstrategie bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es, die Kolbeneinrichtung sich aufgrund der wirkenden Kräfte im Expansionsraum und aufgrund der Rückstellkraft ”frei” bewegen zu lassen. Das Kraftprofil wird dabei in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben, wobei grundsätzlich während der Kolbenbewegung dieses Kraftprofil durch einen Regelungseingriff modifiziert werden kann. Der Lineartrieb stellt auf die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung eine Reaktionskraft ein, welche entsprechend die Bewegung des Kolbens beeinflusst.
Als Nebenbedingung bei der Vorgabe des Kraftprofils muss das Integral über die Kraft in einer Periode der technisch nutzbaren Arbeit in einer Periode entsprechen. Diese technisch nutzbare Arbeit kann vom Lineartrieb in elektrische Energie gewandelt werden. Diese nutzbare Arbeit kann grundsätzlich be rechnet werden, wenn die dissipative Energie bekannt ist beziehungsweise ein entsprechender Ansatz für die Verlustenergie verwendet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Weg-Zeit-Abhängigkeit der Kolbenbewegung nicht direkt geregelt, das heißt es wird kein vorgegebener Weg-Zeit-Verlauf für die Kolbenbewegung eingestellt, sondern der Bewegungsverlauf ergibt sich als Konsequenz aus dem verwendeten Kraftprofil.
Das verwendete Kraftprofil ist insbesondere an die entsprechende Anwendung angepasst. Beispielsweise wird ein Hub und/oder eine Verdichtung eingestellt. Das Kraftprofil kann beispielsweise dahingehend optimiert werden, dass beispielsweise das Emissionsverhalten im Expansionsraum positiv beeinflusst wird und/oder der Druck im Expansionsraum definiert (beispielsweise für gesteigerte Effizienz) eingestellt wird und/oder so eingestellt wird, dass die Geräuschemission beim Verbrennungsprozess im Expansionsraum minimiert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich einsetzen, wenn die Freikolbenvorrichtung mit gleichbleibender Last oder nahezu gleichbleibender Last und insbesondere gleichbleibender oder nahezu gleichbleibender elektrischer Leistungsabgabe betrieben wird (stationärer Betrieb). Grundsätzlich lassen sich auch Lastwechselvorgänge berücksichtigen (instationärer Betrieb). Es ist dabei grundsätzlich möglich, auf eine aktive Regelung umzuschalten, bei welchem insbesondere der Weg-Zeit-Verlauf der Kolbenbewegung über den Lineartrieb regelnd vorgegeben wird. Bei einer solchen aktiven Regelung über den Lineartrieb erfolgt eine direkte Reaktion auf eine Abweichung des Ist-Werts von dem Soll-Wert durch Veränderung der Parameter des Lineartriebs. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dagegen über das Kraftprofil die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung über den Expansionsraum und die Rückfedereinrichtung direkt eingestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine entsprechende Steuerungs- und Regelungseinrichtung hierarchisch aufbauen, wobei sich in der Regelung eine Trennung zwischen schnell ablaufenden Vorgängen (Signalauswertungen und Aktorenansteuerung) und langsamer ablaufenden Regelungsprozessen in der Größenordnung der Zeitdauer eines Kolbenhubs durchführen lassen.
Der Kolbenhub ist dabei der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt einer entsprechenden Position der Kolbeneinrichtung bezogen auf den Expansionsraum. Der Hubraum ist der zugehörige Raum, welcher begrenzt ist durch den oberen Totpunkt und den unteren Totpunkt. Die Verdichtung ist das (minimale) Volumen zwischen einer Innenseite einer stirnseitigen Wand einer Kolbenaufnahme, in welcher die Kolbeneinrichtung angeordnet ist (Zylinderwand) und der Kolbeneinrichtung, wenn diese im oberen Totpunkt positioniert ist. Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis von diesem minimalen Volumen zu einem maximalen Volumen bei maximalem Kolbenhub.
Günstig ist es, wenn bei der Vorgabe des Kraftprofils (des Lineartriebs) der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung. Es erfolgt dadurch eine ”thermodynamische” Regelung, bei welcher der elektrische Lineartrieb nicht regelnd eingesetzt wird. Bei der erfindungsgemäßen Lösung stellt der Lineartrieb eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein. Die Flugbewegung der Kolbeneinrichtung ergibt sich abgeleitet aus dem vorgegebenen Kraftprofil. Bei einer aktiven Regelung des Lineartriebs wird dagegen der Weg-Zeit-Verlauf der Flugbewegung der Kolbeneinrichtung vorgegeben. Als direkte Reaktion auf eine Abweichung eines Ist-Werts von einem Soll-Wert an einem bestimmten Zeitpunkt wird die Sollkraftvorgabe durch den Lineartrieb geändert. Es wird dann bei der aktiven Regelung nicht die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft mit vorgegebenem Kraftprofil eingestellt.
Günstigerweise werden zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft beispielsweise über eine Gasfeder und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt. Dadurch kann man beispielsweise unter der Bedingung, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung der ausgekoppelten elektrischen Energie entspricht, eine Einregelung auf einen konstanten Sollhub durchführen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum ein Verbrennungsraum und die Kolbeneinrichtung wird durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben.
Insbesondere umfassen Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden können, mindestens einen der folgenden Parameter: ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, mindestens eines Einlassschließens, mindestens eines Auslassöffnens, mindestens eines Auslassschließens, ein oder mehrere Zeitpunkte einer Einspritzung von Brennstoff oder ein oder mehrere Zeitpunkte einer Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.
Parameter der Rückfedereinrichtung, durch weiche die Rückstellkraft einstellbar ist, sind beispielsweise Druck, Temperatur, Maximalvolumen und Minimalvolumen in einem Rückfederraum, insbesondere wenn die Rückfedereinrichtung eine Gasfeder ist, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Verspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.
Ein energetischer Zustand des Gesamtsystems wird aus gemessenen (insbesondere thermodynamischen) Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbeneinrichtung berechnet. Insbesondere wird ein entsprechendes Integral berechnet. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es grundsätzlich möglich, dass die nutzbare Arbeit, welche für eine vollständige Kolbenhubbewegung berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer nächsten Periode zu schließen, wenn davon ausgegangen werden kann, dass ein stationärer Betrieb vorliegt. Es kann dann aus der ermittelten nutzbaren Arbeit eine entsprechende Regelung durchgeführt werden, um beispielsweise einen definierten Sollhub und/oder eine definierte Verdichtung einzustellen.
Beispielsweise werden zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung der Dissipationsenergie verwendet. Die dem System durch die Expansion des expandierenden Mediums eingeprägte mechanische Energie kann nicht vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden, da dissipative Verluste vorliegen. Solche irreversiblen Verlustenergien tragen nicht zur technisch nutzbaren Arbeit bei und müssen entsprechend bei der Bestimmung der technischen nutzbaren Arbeit aus dem Integral über das Kraftprofil abgezogen werden. Durch Verwendung eines oder mehrerer entsprechender Modelle lässt sich dann die technisch nutzbare Arbeit berechnen.
Es kann vorgesehen sein, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen (innerhalb einer Periode) geschlossen wird. Dadurch lässt sich bei gleichbleibender Last oder wenig veränderlicher Last die Regelung der Kolbenbewegung auf einfache Weise durchführen. Insbesondere lässt sich dadurch auf einfache Weise das Kraftprofil einstellen.
Beispielsweise wird ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem bestimmten Hubbereich eingestellt und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich eingestellt und/oder es wird eine definierte Verdichtung eingestellt. Durch entsprechende Vorgabe des Kraftverlaufs ist dies auf einfache Weise möglich.
Beispielsweise kann bei einer Einregelung auf einen bestimmten Kraftbereich erreicht werden, dass eine Mindestkraft überschritten wird bzw. eine Höchstkraft nicht überschritten wird. Es kann beispielsweise auch auf eine konstante Auskopplungskraft eingeregelt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt. Das Regelungsziel ist es, die Änderungen im Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt zu minimieren beziehungsweise die Verdichtungsänderung zu minimieren.
Insbesondere wird eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben und/oder variiert, wobei die konkrete Abhängigkeit von der speziellen Regelungsstrategie abhängt.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass ein Kraftprofil auch innerhalb einer Periode modifiziert wird, um beispielsweise eine Anpassung an Laständerungen zu ermöglichen oder um eine bestimmte Regelungsstrategie zu optimieren. Das Kraftprofil kann grundsätzlich zeitabhängig modifiziert werden.
Bei einer Ausführungsform wird während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über der Periode abgeschätzt und gegebenenfalls wird das Kraftprofil modifiziert. Aus den bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten (insbesondere Position der Kolbeneinrichtung und thermodynamischen Größen) kann das Integral über die Periode abgeschätzt werden. Es kann dann zur Optimierung der Regelungsstrategie, sofern nötig, das Kraftprofil modifiziert werden, um die erwünschten Effekte zu erzielen. Es kann beispielsweise ein Kraftprofil mit einer quantitativ oder qualitativ anderen Kraft-Weg-Abhängigkeit verwendet werden, um eine Anpassung an die tatsächlich vorliegenden Verhältnisse zu ermöglichen. Beispielsweise ist es möglich, das Kraftprofil so zu modifizieren, dass eine Verdichtung in einem definierten Wertbereich liegt. Während einer Periode kann korrigierend eingegriffen werden. Beispielsweise wird in einer Kompressionsphase die Verdichtung auf einen Soll-Wert eingestellt. Dies kann erforderlich sein, beispielsweise wenn ein Verbrennungsvorgang grundsätzlich instationär ist und nur eingeschränkt deterministisch beschrieben werden kann, sodass eine exakte Vorausberechnung nicht möglich ist. Durch einen korrigierenden Eingriff ist eine exakte Vorausberechenbarkeit nicht notwendig. Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt der Regeleingriff über Anpassung des Kraftprofils und nicht über direkte Positionierung der Kolbeneinrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einer Ist-Position. Sollte sich beispielsweise durch entsprechende Messungen abzeichnen, dass die Verdichtung zu niedrig wird, so wird der Betrag der Kraft erniedrigt, sodass weniger Energie über den Lineartrieb ausgekoppelt werden kann. Dadurch steht mehr Verdichtungsenergie zur Verfügung, sodass sich die Verdichtung und das Verdichtungsverhältnis erhöhen.
Günstig ist es, wenn eine Verdichtung mittels des Rückfederraums eingestellt und/oder variiert wird. Durch eine variable Kennlinie beispielsweise einer Gasfeder kann die in dem Rückfederraum gespeicherte Energiemenge beeinflusst und damit die für die Kompressionsphase der Kolbeneinrichtung zur Verfügung stehende Energie festgelegt werden. Die beispielsweise in einer Gasfeder gespeicherte Energie, welche für die Rückstellung der Kolbeneinrichtung verwendet wird, ergibt sich als Summe der (noch auszukoppelnden) technisch nutzbaren Arbeit, der Verdichtungsenergie für einen Expansionsraum und aus Dissipationsverlusten. Die Verdichtungsenergie vom Expansionsraum ist das Integral der Kompressionskraft über den Weg (Kompressionsenergie). Damit ist auch der obere Totpunkt im Expansionsraum vorgegeben; wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und dadurch verringert sich die Verdichtung beziehungsweise das Verdichtungsverhältnis.
Es ist vorteilhaft, wenn umschaltbar ist von einer oder auf eine Betriebsweise, in der der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung aktiv und insbesondere in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit einstellt. Dadurch ist eine Umschaltung zwischen ”aktivem” (regelnden) und ”passivem” (nicht-regelnden) Betrieb des elektrischen Lineartriebs möglich. Dadurch ergeben sich erweiterte Nutzungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann bei der Umschaltung auf einen aktiven Betrieb des elektrischen Lineartriebs, bei dem dieser die Kolbenbewegung aktiv beeinflusst, auf einfache und schnelle Weise eine Anpassung an eine Laständerung erfolgen.
Insbesondere beeinflusst der elektrische Lineartrieb aktiv den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Regelung mindestens zwei hierarchisch gegliederte Ebenen aufweist, wobei in einer ersten Ebene auf einer Zeitskala kleiner als die Zeitdauer eines Kolbenhubs am Freikolbenmotor angeordnete Sensoren Signale abgeben und Aktoren den Freikolbenmotor ansteuern, in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit eines oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt. Dadurch lässt sich eine Trennung durchführen zwischen Vorgängen, auf die unmittelbar reagiert werden muss bzw. die unmittelbar ausgewertet werden müssen und Ereignissen, die auf einer langsameren Zeitskala, nämlich der Zeitskala eines vollständigen Kolbenhubs stattfinden.
Insbesondere erfolgt in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub. Dadurch kann auf einfache Weise aus der berechneten nutzbaren Energie eine Parametereinstellung, sofern notwendig, für den nächsten oder einen weiterfolgenden Kolbenhub erfolgen.
Es ist ferner günstig, wenn eine dritte Ebene vorgesehen ist, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird. In der dritten Ebene kann beispielsweise auch eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgen oder es kann eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt werden.
Insbesondere erfolgt dann zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Freikolbenvorrichtung mit einem Freikolbenmotor mit elektrischem Lineartrieb;
2 eine schematische Darstellung einer hierarchisch gegliederten Steuerungs-/Regelungseinrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines typischen Verlaufs der Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für die ”freie” Bewegung einer Kolbeneinrichtung, wobei die Lage eines oberen Totpunkts (OT_ex) und unteren Totpunkts (UT_ex) dargestellt ist;
4(a) bis (e) verschiedene Möglichkeiten für den Verlauf einer Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten;
5(a) bis (c) weitere Möglichkeiten für den Verlauf der Auskopplungskraft in dimensionslosen Koordinaten bei unterschiedlicher Energieverteilung f_E bezüglich einer Expansionsphase und einer Kompressionsphase;
6 schematisch einen Ausschnitt aus einem Weg-Zeit-Verlauf der Kolbeneinrichtung mit ausgezeichneten ”Ereignispunkten”;
7(a) und (b) Beispiele für unterschiedliche Kraftverläufe;
7(c) schematisch dem zeitabhängigen Temperaturverlauf in einem Expansionsraum bei den Kraftverläufen gemäß 7(a) und (b);
8(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe;
8(c) ein Druck-Volumen-Diagramm jeweils für die Kraftverläufe gemäß 8(a) und (b);
9(a) und (b) unterschiedliche Kraftverläufe;
9(c) ein Druck-Volumen-Diagramm für die Kraftverläufe gemäß 9(a) und (b) (schematisch).
Ein Ausführungsbeispiel einer Freikolbenvorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14. Es ist grundsätzlich so, dass die Freikolbenvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Freikolbenmotoren mit jeweiligem elektrischem Lineartrieb aufweisen kann.
Der Freikolbenmotor 12 weist eine Kolbenaufnahme 16 auf, welche beispielsweise zylindrisch ausgebildet ist mit einem kreisförmigen Querschnitt. Die Kolbenaufnahme 16 ist durch Kolbenwände 18 begrenzt.
In der Kolbenaufnahme 16 ist eine Kolbeneinrichtung 20 in einer Linearrichtung 22 beweglich. Diese Linearrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer Achse 24 der Kolbenaufnahme 16.
Die Kolbeneinrichtung 20 umfasst einen ersten Kolben 26, einen zweiten Kolben 28 und eine Verbindungseinrichtung 30, welche den ersten Kolben 26 und den zweiten Kolben 28 miteinander verbindet. Der erste Kolben 26 weist eine erste Kolbenfläche 32 auf, welche einer ersten Stirnwand 34 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Zwischen der ersten Kolbenfläche 32 und der ersten Stirnwand 34 ist in der Kolbenaufnahme 16 ein Expansionsraum 36 gebildet. Ein expandierendes Medium kann in dem Expansionsraum 36 eine Kraft auf den ersten Kolben 26 ausüben und dadurch die Kolbeneinrichtung 20 in der Linearrichtung 22 in einer Bewegung antreiben.
Der Expansionsraum 36 weist ein variables Volumen auf, welches abhängig ist von der Stellung des ersten Kolbens 26 in Relation zu der ersten Stirnwand 34.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Expansionsraum 36 ein Verbrennungsraum, in dem Brennstoff mit Oxidator verbrennen kann. Die Verbrennungsgase treiben dann die Kolbeneinrichtung 20 an.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass in dem Expansionsraum 36 ein Wärmeträgermedium expandiert und dabei die Kolbeneinrichtung 20 antreibt.
Der zweite Kolben 28 weist eine zweite Kolbenfläche 38 auf, welche einer zweiten Stirnwand 40 der Kolbenaufnahme 16 zugewandt ist. Die erste Stirnwand 34 und die zweite Stirnwand 40 begrenzen die Kolbenaufnahme 16 stirnseitig. Die erste Kolbenfläche 32 und die zweite Kolbenfläche 38 sind abgewandt zueinander.
Zwischen der zweiten Kolbenfläche 38 und der zweiten Stirnwand 40 ist ein Rückfederraum 42 gebildet. In dem Rückfederraum 42 ist eine Rückfedereinrichtung 44 aufgenommen. Diese sorgt dafür, dass die Kolbeneinrichtung 20 durch Wirkung auf den zweiten Kolben 28 in Richtung der ersten Stirnwand 34 zurückbewegt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung 44 ein komprimierbares Medium und insbesondere ein Gas. Die Rückfedereinrichtung 44 ist dann als Gasfeder ausgebildet. (Die Rückfedereinrichtung 44 kann grundsätzlich auch eine oder mehrere mechanische Federn aufweisen.)
Durch das expandierende Medium, welches kräftemäßig auf den ersten Kolben 26 wirkt, wird die Kolbeneinrichtung 20 in Richtung der zweiten Stirnwand 40 bewegt. In dem Rückfederraum 42, welcher ein variables Volumen aufweist, wird die Rückfedereinrichtung 44 komprimiert. Sie übt dann eine Rückstellkraft auf die Kolbeneinrichtung 20 aus, welche diese dann in Gegenrichtung auf die erste Stirnwand 34 zu bewegt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind randseitig gegenüber der Kolbenaufnahme 16 abgedichtet. Eine solche Dichtung ist im Zusammenhang mit dem zweiten Kolben 28 durch das Bezugszeichen 46 angedeutet. Dadurch sind der Expansionsraum 36 und der Rückfederraum 42 fluiddicht voneinander getrennt. Ferner ist ein Zwischenraum zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 fluiddicht von dem Expansionsraum 36 und dem Rückfederraum 42 getrennt.
Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 sind beabstandet zueinander mit dazwischenliegender Verbindungseinrichtung 30. Diese ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass bei gewährleisteter struktureller Steifigkeit die Masse der bewegten Kolbeneinrichtung 20 minimiert ist.
Der elektrische Lineartrieb 14 umfasst eine Läufereinrichtung 48 und eine Statoreinrichtung 50. Die Läufereinrichtung 48 ist zwischen dem ersten Kolben 26 und dem zweiten Kolben 28 an der Verbindungseinrichtung 30 angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von beispielsweise ringförmigen Permanentmagneten 52a, 52b usw., welche mit alternierender Polung angeordnet sind. Mit der linearen Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 bewegt sich die Läufer einrichtung 48 linear innerhalb der Kolbenaufnahme 16 außerhalb des Expansionsraums 36 und außerhalb des Rückfederraums 42.
Die Statoreinrichtung 50 ist außerhalb der Kolbenaufnahme stationär angeordnet. Sie umfasst eine Mehrzahl von Wicklungen 54, welche die Kolbenaufnahme 16 in dem Bereich umgeben, in welchem die Läufereinrichtung 48 beweglich ist.
Durch die Bewegung der Läufereinrichtung 48 wird eine Spannung an der Statoreinrichtung 50 induziert, welche abgreifbar ist. Es erfolgt eine (Teil-)Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Die elektrische Energie lässt sich auskoppeln und nutzen.
Es ist auch möglich, wie in der WO 03/091556 A1 beschrieben, über eine entsprechende elektrische Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu beeinflussen; der Kolbenhub lässt sich über den elektrischen Lineartrieb 14 variabel einstellen, so dass die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 definierbar sind.
Es ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 vorgesehen, durch welche Aktoren der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar sind und Sensorsignale der Freikolbenvorrichtung 10 auswertbar sind. Ferner gibt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 eine Steuerungsstrategie und Regelungsstrategie vor, die hardwaremäßig und/oder softwaremäßig realisiert ist.
An der ersten Stirnwand 34 ist (mindestens) ein Einlassventil 58 für Brennstoff und/oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch angeordnet und/oder es ist ein Einlassventil für Oxidator (insbesondere Luft) vorgesehen. Ferner ist an der ersten Stirnwand 34 (mindestens) ein Auslassventil 60 angeordnet, über welches sich verbrauchtes Medium und insbesondere Verbrennungsabgase aus dem Expansionsraum 34 abführen lassen.
Es kann ferner eine Einspritzeinrichtung (61) zum Einspritzen von Brennstoff vorgesehen sein.
Weiterhin kann eine Zündungseinrichtung 62 vorgesehen sein (in 1 aus darstellerischen Gründen in übertriebener Größe gezeigt), um ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in dem Expansionsraum 36, welcher dann ein Verbrennungsraum ist, zünden zu können.
Weiterhin ist dem Expansionsraum 36 eine Sensoreinrichtung 64 zugeordnet, über welche ein oder mehrere Parameter messbar sind. Beispielsweise sind der Druck im Expansionsraum 36 und/oder die Temperatur messbar.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 steuert das oder die Einlassventile 58, das Auslassventil 60, die Zündungseinrichtung 62 und gegebenenfalls eine Einspritzeinrichtung an. Es lässt sich dadurch zu einem oder mehreren definierten Zeitpunkten das oder die Einlassventile 58 öffnen und schließen und/oder die Auslassventile 60 lässt sich öffnen und schließen. Ferner lässt sich zu einem definierten Zeitpunkt Brennstoff einspritzen und ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch lässt sich zünden.
Signale der Sensoreinrichtung 64 werden an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 übermittelt.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ist ferner an den elektrischen Lineartrieb 14 gekoppelt, um beispielsweise gegebenenfalls über den elektrischen Lineartrieb 14 die Kolbenbewegung der Kolbeneinrichtung 20 beeinflussen zu können.
Es ist eine Sensoreinrichtung 66 vorgesehen, welche entsprechende Sensorsignale der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereitstellt, über welche die momentane Position der Kolbeneinrichtung 20 in Relation zu der Kolbenaufnahme 16 messbar ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem Rückfederraum 42, wenn dieser ein Gasfederraum ist, ein Druckspeicher 68 zugeordnet. Der Druckspeicher 68 ist mit dem Rückfederraum 42 über ein Steuerventil 70 verbunden, welches durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 ansteuerbar ist. Über den Druckspeicher 68 ist der Druck in dem Rückfederraum 42 beispielsweise in einem unteren Totpunkt (UT_r) der Kolbeneinrichtung 20, bei welchem diese mit dem ersten Kolben 26 nächstliegend zu der ersten Stirnwand 34 ist, einstellbar. Es lassen sich dadurch die Eigenschaften der Gasfeder einstellen. Insbesondere lässt sich eine Federkonstante bzw. Federkennlinie einstellen.
Der Druckspeicher 68 ist mit dem entsprechenden Rückfedermedium befüllbar bzw. er ist entleerbar. Insbesondere lässt sich der Druck in dem Druckspeicher 68 außerhalb der Kolbenaufnahme 16 einstellen. Entsprechend ist beispielsweise ein steuerbares Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 vorgesehen. Ein Weg ist ein Befüllungsweg für den Druckspeicher 68 und ein zweiter Weg ist ein Entlüftungsweg. Das Drei-Zwei-Wege-Ventil 72 ist an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 gekoppelt. Eine Pumpe 73 ist an einen Eingang des Drei-Zwei-Wege-Ventils 72 angeschlossen.
Dem Rückfederraum 42 sind ein oder mehrere Sensoren 74 zugeordnet. Insbesondere ist ein Drucksensor vorgesehen. Es kann beispielsweise auch ein Temperatursensor vorgesehen sein. Diese stellen ihre gemessenen Werte der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 bereit.
In 1 ist durch einen Pfeil 76 schematisch angedeutet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 auch weitere Freikolbenmotoren überwachen, steuern und regeln kann. Beispielsweise kann ein weiterer Freikolbenmotor vorgesehen sein, um bei entsprechender Anordnung der Kolbeneinrichtung einen Massenausgleich zu erhalten.
Durch eine zeitlich sich wiederholende Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36, beispielsweise durch eine sich zeitlich wiederholende Verbrennung von Brennstoff, wird die Kolbeneinrichtung 20 in einer Oszillations bewegung angetrieben. Die Kolbeneinrichtung bewegt sich dabei zwischen einem bezogen auf den Expansionsraum 36 unteren Totpunkt (UT_ex) und oberen Totpunkt (OT_ex). Der untere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den größten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. Der obere Totpunkt ist dadurch definiert, dass der erste Kolben 26 den kleinsten Abstand zu der ersten Stirnwand 34 hat. In 3 sind unten schematisch diese Totpunkte UT_ex und OT_ex gezeigt. Die Auslenkung x bezieht sich auf den Abstand von der ersten Stirnwand 34 in der Linearrichtung 22. Ein Kolbenhub ist der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt. Dieser wird mit S bezeichnet.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 führt Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge hierarchisch durch. Sie ist dazu in eine erste Ebene 78, eine zweite Ebene 80 und in eine dritte Ebene 82 gegliedert. Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet und die zweite Ebene 80 ist der ersten Ebene 78 übergeordnet.
Auf der ersten Ebene 78 finden Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge statt, welche auf einer Zeitskala liegen, welche unterhalb der Dauer eines Kolbenhubs liegen. In der ersten Ebene 78 finden beispielsweise in einer Expansionsraumregelungseinrichtung 84 Regelungsvorgänge statt, welche die Expansion von Medium in dem Expansionsraum 36 und insbesondere Verbrennungsvorgänge betreffen. Diese Regelungsvorgänge umfassen insbesondere die Steuerung bzw. Regelung des oder der Einlassventile 58, des oder der Auslassventile 60 und der Zündungseinrichtung 62 sowie gegebenenfalls die Steuerung bzw. Regelung einer Einspritzeinrichtung.
Die Expansionsraumregelungseinrichtung 84 empfängt Sensorsignale der Sensoreinrichtung 64 und legt diese Steuerungsprozessen und Regelungsprozessen zugrunde.
Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Lineartriebregelungseinrichtung 86, welche den Lineartrieb 14 steuert bzw. regelt. Durch entsprechende Strom beaufschlagung der Statoreinrichtung 50 ist dies möglich. Die Lineartriebregelungseinrichtung 86 empfängt Signale der Sensoreinrichtung 66.
Ferner umfasst die erste Ebene 78 eine Rückfederraumregelungseinrichtung 88. Über diese lässt sich das Steuerventil 70 steuern bzw. regeln. Die Rückfederraumregelungseinrichtung 88 umfasst Signale des Sensors 74.
In der ersten Ebene 78 wird der Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt gesteuert bzw. geregelt. Es werden Aktoren angesteuert (in 2 dadurch angedeutet, dass eine Pfeilspitze auf diese zeigt) und es werden Sensorsignale empfangen (in 2 dadurch angedeutet, dass die Pfeilspitze von diesen weg zeigt).
In der zweiten Ebene 80 erfolgt eine Regelungsberechnung auf einer Zeitskala, welche der Zeitdauer eines oder mehrerer Kolbenhübe entspricht. Es erfolgt eine Art von ”integraler” Regelungsberechnung und auch dann entsprechende Ansteuerung. Es erfolgt dabei ein Datenaustausch zwischen der ersten Ebene 78 und der zweiten Ebene 80.
Die dritte Ebene 82 ist der zweiten Ebene 80 übergeordnet. In der dritten Ebene 82 werden beispielsweise Überwachungsprozesse durchgeführt und es können beispielsweise, wenn mehrere Kolbeneinrichtungen vorhanden sind, Synchronisierungsvorgänge durchgeführt werden.
Die Ebenen 78, 80 und 82 arbeiten auf unterschiedlichen Zeitskalen. Es lassen sich dadurch Regelungsvorgänge hierarchisch gliedern. In der ersten Ebene 78 wird die physikalische Strecke des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14 direkt beeinflusst bzw. es findet eine direkte Auswertung von Sensorsignalen statt. In der zweiten Ebene 80 wird, wie unten noch näher beschrieben wird, eine Ereignisregelung und insbesondere Regelung der Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 von einem (vollständigen) Kolbenspiel zu dem nächsten durchgeführt. In der ersten Ebene 78 erfolgt dabei eine un mittelbare Ereignisregelung an dem Freikolbenmotor 12 mit elektrischem Lineartrieb 14.
In der dritten Ebene 82 erfolgt beispielsweise auch eine Lastwechselanpassung.
Durch die hierarchische Gliederung lassen sich die unterschiedlichen Zeitskalen für Steuerungsvorgänge und Regelungsvorgänge trennen. Dadurch können die Regelungsvorgänge optimiert werden.
Erfindungsgemäß wird die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 so geregelt, dass der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd eingesetzt wird, das heißt keine Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 durch den elektrischen Lineartrieb 14 erfolgt. (Es ist grundsätzlich möglich, dass über den elektrischen Lineartrieb 14 eine definierte Bewegungsform der Kolbeneinrichtung 20 in ihrer Weg-Zeit-Abhängigkeit vorgegeben wird. Beispielsweise wird ein sinusförmiger Verlauf des Wegs x und der Geschwindigkeit v (als Ableitung des Wegs über der Zeit) vorgegeben.)
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird dagegen eine ”freie” Schwingung der Kolbeneinrichtung 20 erlaubt, welche allein durch die Expansion des Mediums in dem Expansionsraum 36 und die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 vorgegeben ist sowie von dissipativen Verlusten bei der Bewegung. Die nutzbare Arbeit durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 entspricht dann im Wesentlichen der aus der elektrischen Lineareinrichtung 14 ausgekoppelten elektrischen Energie.
In 3 ist schematisch ein Bewegungsverlauf angedeutet in der Form eines Geschwindigkeits-Zeit-Diagramms für eine vollständige Bewegung des ersten Kolbens 26 von dem oberen Totpunkt über den unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt zurück, wenn der obere Totpunkt als Startpunkt gewählt wird. Typischerweise ist dieser Bewegungsverlauf nicht exakt sinusförmig. In einer Expansionsphase ausgehend von dem oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt beschleunigt die Expansion die Kolbeneinrichtung 20 stärker als die Rückstellkraft im Rückfederraum 42 die Kolbeneinrichtung 20, wenn sie sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt (bezogen auf den ersten Kolben 26) bewegt. Dadurch ist die Zeitdauer einer ersten Phase der Kolbenbewegung (Expansionsphase) kleiner als die Zeitdauer einer zweiten Phase der Kolbenbewegung (Kompressionsphase bzw. Rückfederphase).
Es ist zu beachten, dass, wie unten noch näher erläutert wird, die Regelung so durchführbar ist, dass der Kolbenhub S fest ist. Dieser feste Kolbenhub ist dann die Größe, auf die einzuregeln ist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass ein Einregelungsvorgang auf einen stationären Betrieb und der stationäre Betrieb selber so durchgeführt wird, dass die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie entspricht. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass ein Eingriff beispielsweise zur Vorgabe von Startbedingungen über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 möglich ist, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 aktiv eingesetzt wird und die Kolbeneinrichtung 20 in eine bestimmte Position (über Beaufschlagung der Statoreinrichtung 50) gebracht wird.
Die nutzbare Arbeit W_N pro Kolbenspiel ist
Sie setzt sich zusammen aus einem Beitrag des Expansionsraums 36 (Druck p_E) und einem Beitrag des Rückfederraums 42 (Druck p_R) und einem Dissipationsbeitrag W_diss.
Die über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelte Energie W_L ist
F_L ist dabei die wirkende mechanische Kraft, welche der Auskopplungskraft entspricht.
Wenn der elektrische Lineartrieb 14 als rein elektrischer Generator betrieben wird, d. h. der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd (rein passiv) betrieben wird und die Kolbeneinrichtung 20 ihrer durch die Expansion des Mediums im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft bewirkte Bewegung überlassen wird, dann ist die nutzbare Arbeit W_N gleich der über den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten Energie W_L.
Wenn der Anteil W_diss bekannt ist bzw. abgeschätzt werden kann, lässt sich die nutzbare Arbeit pro Kolbenhub berechnen. Durch Vorgabe der Bedingungen im Expansionsraum 36 im Rückfederraum 42 lässt sich die nutzbare Arbeit in gewissem Umfang einstellen.
Der Verlauf der Kraft F_L ist bezogen auf einen Kolbenhub grundsätzlich beliebig, solange die Bedingung W_L = W_N erfüllt ist. Es sind deshalb unterschiedliche Vorgaben für den Verlauf der Kraft (für das Kraftprofil der Wegabhängigkeit der Kraft) möglich. Über diese Vorgaben wiederum ist eine Regelungsstrategie durchführbar.
Eine Regelungsstrategie kann so erfolgen, dass der Kolbenhub S in einem bestimmten Wertebereich liegt und/oder die Kraft F_L in einem bestimmten Wertebereich und/oder die Verdichtung in einem bestimmten Wertebereich liegt und/oder das Verdichtungsverhältnis in einem bestimmten Wertebereich liegt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Regelungsstrategie derart, dass der Kolbenhub fest ist, d. h. die Regelgröße ist ein fester Kolbenhub S; es erfolgt eine Vorgabe des Kolbenhubs S bei einem freien Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20.
In der 4(a) bis 4(e) sind mögliche vorgebbare Kraftverläufe gezeigt, welche auf eine dimensionslose Koordinate χ(t) bezogen sind, welche definiert ist als
Dabei x(t_UT) die Position des ersten Kolbens 26 im oberen Totpunkt OT_ex und x(t) ist die aktuelle Kolbenposition. Die dimensionslose Kraft γ(t) ist definiert als γ(t) = FL(t)/FL,max (4)
Die Kraft F_L,max ist definiert als
Dabei ist k_A ein Flächenfaktor.
Über die Vorgabe des Kraftprofils der Kraft lässt sich eine Regelung durchführen mit der Regelungsstrategie, eine freie Bewegung der Kolbeneinrichtung 20 zu ermöglichen. Die Bedingung dabei ist W_N = W_L. Die momentane Sollkraft, die der elektrische Lineartrieb 14 aus dem System auskoppeln soll, wird dann entsprechend einer Strategie gewählt, um beispielsweise einen konstanten Sollhub S zu erhalten.
Je nach Anwendung kann ein entsprechendes Kraftprofil gewählt werden. Beispiele für Kraftverläufe sind in den 4(a) bis 4(e) gezeigt. Diese Beispiele sind symmetrisch bezüglich Expansion und Kompression.
In 5(a) ist der Kraftverlauf gemäß 4(a) nochmals gezeigt. Er kann verschoben werden (5(b) und 5(c)). Dies entspricht einer unterschied lichen Energieverteilung auf die Expansionsphase (f_E > 0,5) bzw. auf die Kompressionsphase (f_E < 0,5). Wie oben erwähnt kann der Verlauf der Auskopplungskraft so gewählt werden, dass die gewählte Regelungsstrategie durchgeführt werden kann.
Die Eingriffsmöglichkeiten bei der Regelung liegen in der entsprechenden Ansteuerung der Aktoren des Freikolbenmotors 12 mit elektrischem Lineartrieb 14, wie oben im Zusammenhang mit der ersten Ebene 78 der hierarchischen Steuerung und Regelung beschrieben.
Wie in 6 schematisch angedeutet, kann beispielsweise ein Zeitpunkt eines Schließens 90 des Auslassventils 60 und/oder eines Schließens 92 des Einlassventils 58 entsprechend eingestellt werden. Ferner kann beispielsweise ein Einspritzbeginn 94 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Zündzeitpunkt 96 der Zündungseinrichtung 62 eingestellt werden. Weiterhin kann ein Verbrennungsende 98 beeinflusst werden. Auch das Öffnen 100 des Auslassventils 60 und ein Öffnen 102 des Einlassventils 58 kann eingestellt werden.
Weiterhin lassen sich die Verhältnisse im Rückfederraum 42 beispielsweise durch Druckeinstellung beeinflussen. Über den Druckspeicher 68 und das Steuerventil 70 lassen sich Parameter der Rückfedereinrichtung 44 beeinflussen und einstellen und gegebenenfalls auch in zeitlicher Abhängigkeit einstellen. Beispielsweise kann die Rückfedereinrichtung 44 versteift werden oder weicher gemacht werden, wenn notwendig.
Beispielsweise kann über Einstellung des Drucks im unteren Totpunkt UT_r des Rückfederraums 42 die Verdichtung eingestellt werden beziehungsweise variiert werden. Eine variable Kennlinie der Rückfedereinrichtung 44 beeinflusst die eingespeicherte Energiemenge und legt damit die für eine Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie fest. Diese für die Kompressionsphase zur Verfügung stehende Energie setzt sich aus der in der Rückfedereinrichtung 44 gespeicherten Energie für die anstehende Rückstellung der Kolbeneinrichtung 20, der in der Kompressionsphase noch auszu koppelnden nutzbaren Arbeit, der Verdichtungsenergie für den Expansionsraum 36 und dissipativen Verlusten zusammen. Es lässt dich dadurch der obere Totpunkt OT_ex im Expansionsraum 36 einstellen. Wenn weniger Energie in die Rückfedereinrichtung 44 eingespeichert wird, dann steht auch nur eine geringe Kompressionsenergie zur Verfügung und damit verringert sich die Verdichtung.
Es erfolgt dabei eine entsprechende Regelungsstrategie in der zweiten Ebene 80. Es wird dabei aus der nutzbaren Arbeit für einen vollständigen Kolbenhub auf den nächsten Kolbenhub geschlossen. Diese Annahme ist korrekt, wenn ein stationärer Betrieb vorliegt bzw. quasistationärer Betrieb vorliegt, in welchem Änderungen und insbesondere Laständerungen erheblich langsamer sind als die Zeitdauer eines Kolbenhubs.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt, eventuell ausgehend von einer Startphase, bei welcher der elektrische Lineartrieb 14 regelnd eingesetzt werden kann, beispielsweise eine Einregelung auf einen stationären Betrieb, bei dem der elektrische Lineartrieb 14 nicht regelnd als elektrischer Generator eingesetzt wird. Sowohl während des Einregelungsprozesses als auch im stationären (bzw. quasistationären) Betrieb entspricht die nutzbare Arbeit der Kolbeneinrichtung 20 der durch den elektrischen Lineartrieb 14 ausgekoppelten elektrischen Energie. Die Kraftbeaufschlagung der Kolbeneinrichtung 20 durch das expandierende Medium im Expansionsraum 36 und durch die Rückfederkraft einschließlich dissipativer Verluste bestimmt den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20. Der elektrische Lineartrieb stellt eine Reaktionskraft entsprechend dem Kraftprofil ein und beeinflusst damit die Flugbahn der Kolbeneinrichtung 20.
Die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Kraftbeaufschlagung des ersten Kolbens 26 bestimmen (wie beispielsweise die in 6 gezeigten Parameter), werden entsprechend eingestellt.
Die Regelung ist eine ”thermodynamische” Regelung. Es werden entsprechende thermodynamischen Größen im Expansionsraum 36 und/oder Rückfederraum 42 eingestellt, um den ”freien” Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung 20 zu erhalten.
Durch die Lösung ist es beispielsweise möglich, auf einen konstanten Kolbenhub S einzuregeln, d. h. auf minimale Änderungen im Kolbenhub einzuregeln.
In den 7(a) und (b) sind schematisch unterschiedliche Kraftprofile 104 und 106 und dimensionslosen Koordinaten gezeigt. Das Kraftprofil 104 gehört eine Expansionsphase 108a und eine Kompressionsphase 108b. Der Flächeninhalt für die Expansionsphase 108a und für die Kompressionsphase 108b ist gleich.
Zu dem Kraftprofil 106 gehört eine Expansionsphase 110a und eine Kornpressionsphase 110b. Der Flächeninhalt der Expansionsphase 110a ist größer als der Flächeninhalt der Kompressionsphase 110b. Das Kraftprofil 106 ist so gewählt, dass die Kolbenbewegung in der Expansionsphase 110a verlangsamt wird, um, wenn die Kolbeneinrichtung 20 durch Verbrennungsprozesse im Expansionsverfahren 36 angetrieben wird. In 7(c) ist schematisch das zu den Kraftprofilen 104 und 106 zugehörige Abkühlverhalten von Gasen (Zylindergasen) im Expansionsraum 36 gezeigt. Bei dem Kraftprofil 106 ist das Abkühlen verlangsamt, da die Kolbenbewegung bei der Expansion durch das Kraftprofil 106 verlangsamt wird.
Man sieht, dass ein entsprechendes Abkühlverhalten über das verwendete Kraftprofil eingestellt werden kann. Dadurch wiederum lässt sich das Emissionsverhalten positiv beeinflussen (beispielsweise lassen sich bestimmte Abkühlkurven einstellen, wobei die Abkühlkurven wiederum die Partikelentstehung bestimmen).
In den 8(a) und 8(b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß 8(a) dem Kraftprofil 104 gemäß 7(a) entspricht.
Das Kraftprofil 112 gemäß 8(b) ist so gewählt, dass die Kolbengeschwindigkeit im Bereich an und vor dem unteren Totpunkt stark verlangsamt wird. Entsprechend hat das Kraftprofil 112 einen Abfall 114.
Das Kraftprofil 112 dient dazu, einen Verbrennungsprozess in dem Expansionsraum 36 einen Gleichraumprozess anzunähern, welcher einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist. In 8(c) sind zugehörige p-V-Diagramme gezeigt (Abhängigkeit eines Drucks im Expansionsraum 36 [Zylinderdruck] in Abhängigkeit des Volumens). Man erkennt den Einfluss des Kraftprofils 112.
In 9(a) und (b) sind weitere Kraftprofile gezeigt, wobei das Kraftprofil gemäß 9(a) dem Kraftprofil 104 entspricht. Das Kraftprofil 116 gemäß 9(b) ist so gewählt, dass die Geräuschemission während eines Verbrennungsprozesses minimiert ist. Die Geräuschemission wird wesentlich durch den Druckanstieg im Expansionsraum 36 bestimmt. Das Kraftprofil 116 ist so gewählt, dass die Kolbeneinrichtung 20 nach Passieren des oberen Totpunkts stärker beschleunigt wird. Es sollen starke Druckgradienten vermieden werden. Entsprechende p-V-Diagramme sind in 9(c) gezeigt. Man erkennt, dass der Zylinderdruck bei dem Kraftprofil 116 zu geringeren Druckgradienten und damit zu geringerer Geräuschemission führt.
Die Nebenbedingung ist, dass der Flächeninhalt über ein Kraftprofil über eine Periode der Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Energie entspricht, welche dann über den elektrischen Lineartrieb als elektrische Energie auskoppelbar ist.
Es ist grundsätzlich möglich, dass verschiedene Anforderungen wie beispielsweise Temperaturverhalten, Geräuschemission etc. bei der Verwendung des Kraftprofils berücksichtigt werden.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 56 weist beispielsweise eine Datenbank auf, in der vorgegebene Kraftprofile gespeichert sind und aus der je nach Anwendungsfall das geeignete Kraftprofil ausgelesen wird.
Grundsätzlich kann die nutzbare Arbeit während einer Periode der Kolbenbewegung aus der nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehenden Kolbenbewegungsperioden abgeschätzt werden, um eine entsprechende Regelung durchzuführen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass innerhalb einer Periode der Kolbenbewegung die nutzbare Arbeit für diese Periode abgeschätzt wird, in dem die von Beginn zur Periode bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelten Daten verwendet werden, um die nutzbare Arbeit für die gesamte Periode abzuschätzen. Gegebenenfalls wird dann das Kraftprofil modifiziert, um eine optimierte Regelung entsprechend der gewählten Regelungsstrategie zu erhalten.
Grundsätzlich ist es so, dass beim Betreiben eines Freikolbenmotors bei Volllast der Hub (Hubraum) größer ist als bei Teillast. Bei Teillast wird der Hubraum reduziert. Durch Einstellung des Hubs und/oder Verdichtung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich entsprechend den Lastverhältnissen ein optimierter Betrieb erreichen und es lässt sich optimiert elektrische Energie auskoppeln.
Durch entsprechende Einstellung der Rückfedereinrichtung (beispielsweise durch Erhöhung des Drucks in einem unteren Totpunkt eines entsprechenden Rückfederraums) lässt sich eine Hubraumeinstellung in Kombination mit der Kraftprofileinstellung durchführen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung, welche mindestens einen Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineartrieb umfasst, wobei der mindestens eine Freikolbenmotor eine Kolbeneinrichtung aufweist, welche unter der Wirkung eines Mediums, das in einem Expansionsraum expandiert, in einer linearen Bewegung angetrieben wird und durch eine Rückfedereinrichtung, welche eine Rückstellkraft ausübt, in einer Gegenrichtung zurückbewegt wird, und wobei die Kolbeneinrichtung an den elektrischen Lineartrieb gekoppelt ist, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für die Kolbeneinrichtung vorgegeben wird, dessen Integral über eine Periode einer Bewegung der Kolbeneinrichtung der nutzbaren Arbeit entspricht, welche vom elektrischen Lineartrieb in elektrische Energie wandelbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorgabe des Kraftprofils der Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung allein durch die Kraftbeaufschlagung durch das expandierende Medium und die Rückstellkraft gesteuert wird ohne Weg-Zeit-Regelung für die Bewegung der Kolbeneinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einregelung der Kolbenbewegung die Rückstellkraft und/oder ein oder mehrere Parameter, welche die Expansion des Mediums im Expansionsraum beeinflussen, eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum ein Verbrennungsraum ist und die Kolbeneinrichtung durch Verbrennungsgase, welche das expandierende Medium bilden, angetrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter für den Expansionsraum, welche die Kolbenbewegung beeinflussen und welche eingestellt werden, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: ein oder mehrere Zeitpunkte mindestens eines Einlassöffnens, Einlassschließens, Auslassöffnens, Auslassschließens, Einspritzung, Zündung für eine Verbrennung, Einspritzmenge, Gasmasse im Expansionsraum.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Rückfedereinrichtung, durch welche die Rückstellkraft einstellbar ist, mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: Druck, Temperatur, Maximalvolumen, Minimalvolumen in einem Rückfederraum, Federkennlinie für die Rückstellkraft, Vorspannung einer Federeinrichtung, Gasmasse im Rückfederraum.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein energetischer Zustand aus gemessenen Größen im Expansionsraum und/oder einem Rückfederraum der Rückfedereinrichtung und Positionsdaten der Kolbeneinrichtung berechnet wird.
Verfahren nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der nutzbaren Arbeit ein oder mehrere Modelle zur Bestimmung von Dissipationsenergie verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der nutzbaren Arbeit, welche für eine Periode berechnet wurde, auf die nutzbare Arbeit einer oder mehrerer zeitlich folgenden Kolbenhubbewegungen geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hub der Bewegung der Kolbeneinrichtung in einem bestimmten Hubbereich und/oder eine Auskopplungskraft des elektrischen Lineartriebs in einem bestimmten Kraftbereich und/oder eine Verdichtung in einem bestimmten Verdichtungsbereich und/oder das Verdichtungsverhältnis in einem bestimmten Verdichtungsverhältnisbereich eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen konstanten Hub und/oder eine konstante Verdichtung und/oder konstantes Verdichtungsverhältnis geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraft-Weg-Abhängigkeit der Kraft definiert vorgegeben wird und/oder variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Periode der Kolbenbewegung das Integral über die Periode geschätzt wird und gegebenenfalls das Kraftprofil modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftprofil so modifiziert wird, dass eine Verdichtung in einem Sollwertbereich liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung mittels des Rückfederraumes eingestellt und/oder variiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass umschaltbar ist von einer oder auf eine Betriebsweise, in der der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung aktiv, und insbesondere in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit, einstellt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Startphase und/oder Störungsphase und/oder Übergangsphase der elektrische Lineartrieb den Bewegungsverlauf der Kolbeneinrichtung in seiner Weg-Zeit-Abhängigkeit aktiv einstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mindestens zwei hierarchisch gegliederte Ebenen aufweist, wobei in einer ersten Ebene auf einer Zeitskala kleiner als die Zeitdauer eines Kolbenhubs am Freikolbenmotor angeordnete Sensoren Signale abgeben und Aktoren den Freikolbenmotor ansteuern, und in einer zweiten Ebene, welche der ersten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, eine Regelungsberechnung für die Kolbenbewegung unter Zugrundelegung der berechneten nutzbaren Arbeit einer oder mehrerer vorhergehender vollständiger Hübe der Kolbeneinrichtung durchgeführt wird, wobei zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Ebene eine Regelungsberechnung für einen folgenden Kolbenhub auf Grundlage der Ermittlung der nutzbaren Arbeit für einen aktuellen und/oder vorhergehenden Kolbenhub erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine dritte Ebene, welche der zweiten Ebene hierarchisch übergeordnet ist, in welcher eine Überwachung der Kolbenbewegung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Synchronisierung der Bewegung von mehreren Kolbeneinrichtungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Ebene eine Überwachung und/oder Steuerung von Lastwechselvorgängen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene ein Datenaustausch erfolgt.