DE102011000620B4

DE102011000620B4 - Freikolbenvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung

Info

Publication number: DE102011000620B4
Application number: DE201110000620
Authority: DE
Inventors: Cornelius Ferrari
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: DE102011000620A1

Abstract

Es ist eine Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor vorgesehen, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, in welcher mindestens ein Expansionsraum für die Expansion eines Arbeitsmediums gebildet ist und in welcher mindestens ein Rückfederraum gebildet ist, und eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit mindestens einem Kolben, wobei eine erste Kolbenseite der Kolbeneinrichtung den mindestens einen Expansionsraum begrenzt und eine zweite Kolbenseite der Kolbeneinrichtung den mindestens einen Rückfederraum begrenzt und wobei in dem mindestens einen Rückfederraum eine Rückfedereinrichtung für die Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung angeordnet ist, wobei mindestens ein Kompressionsraum vorgesehen ist, welcher von dem mindestens einen Expansionsraum und dem mindestens einen Rückfederraum getrennt ist, welcher durch mindestens einen Kolben der Kolbeneinrichtung begrenzt ist, und in welchem mittels der Kolbeneinrichtung eine Federeinrichtung und/oder ein Medium komprimierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, in welcher mindestens ein Expansionsraum für die Expansion einer Arbeitsmediums gebildet ist und in welcher mindestens ein Rückfederraum gebildet ist, und eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit mindestens einem Kolben, wobei eine erste Kolbenseite der Kolbeneinrichtung mindestens einen Expansionsraum begrenzt und eine zweite Kolbenseite der Kolbeneinrichtung den mindestens einen Rückfederraum begrenzt und wobei in dem mindestens einen Rückfederraum eine Rückfedereinrichtung für die Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung.
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.
Aus der WO 2009/156257 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung bekannt, bei dem ein Kraftprofil eines Kraft-Weg-Verlaufs für eine Kolbeneinrichtung vorgegeben wird.
Aus der WO 2007/147789 ist eine Freikolbenvorrichtung bekannt, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung linear beweglich angeordnet ist, wobei die mindestens eine Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in einem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist, und wobei die mindestens eine Kolbenaufnahme einen Rückfederraum aufweist, in dem ein komprimierbares Gas zum Ausüben einer Rückstellkraft auf die mindestens eine Kolbeneinrichtung aufgenommen ist, und mindestens ein Stellorgan zur Steuerung und/oder Regelung der Rückstellkraft, welches an dem Rückfederraum angeordnet ist, wobei die Rückstellkraft im Betrieb der Freikolbenvorrichtung steuerbar und/oder regelbar ist.
Aus der DE 10 2007 035914 A1 ist eine Freikolbenvorrichtung bekannt, umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme, mindestens eine in der entsprechenden Kolbenaufnahme linear bewegliche Kolbeneinrichtung mit einer ersten Kolbenfläche und eine zweiten Kolbenfläche, welche der ersten Kolbenfläche abgewandt ist, und einen in der Kolbenaufnahme angeordneten Expansionsraum, welcher durch die erste Kolbenfläche begrenzt ist, wobei die Kolbeneinrichtung unter der Wirkung eines Mediums, welches in dem Expansionsraum expandiert, antreibbar ist. In der mindestens einen Kolbenaufnahme ist ein Rückfederraum angeordnet, welcher durch die zweite Kolbenfläche begrenzt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche erweiterte Betriebsmöglichkeiten erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Kompressionsraum vor gesehen ist, welcher von dem mindestens einen Expansionsraum und dem mindestens einen Rückfederraum getrennt ist, welcher durch mindestens einen Kolben der Kolbeneinrichtung begrenzt ist, und in welchem mittels der Kolbeneinrichtung ein Medium und/oder eine Federeinrichtung komprimierbar ist.
Der mindestens eine Kolbenraum ist ein Funktionsraum, welcher eine Federeinrichtung und/oder ein Medium zu dessen Komprimierung aufnehmen kann. Die Federeinrichtung kann je nach Betrieb der Freikolbenvorrichtung auf unterschiedliche Art und Weise eingesetzt werden.
Das Medium kann beispielsweise, insbesondere in einem Zwei-Takt-Betrieb der Freikolbenvorrichtung, dazu verwendet werden, eine Druckdifferenz zwischen einem Einlassanschluss und einem Auslassanschluss des Expansionsraums zu erzeugen. Das komprimierte Medium kann zur Druckladung des Expansionsraums verwendet werden. Es ist möglich, über den Kompressionsraum einen Teil der für die Druckladung des Expansionsraums benötigten Mediummenge oder die vollständige Mediummenge bereitzustellen.
Dies ist auch möglich in einem Vier-Takt-Betrieb der Freikolbenvorrichtung. Es lässt sich dadurch der Wirkungsgrad erhöhen. In einem Vier-Takt-Betrieb kann die Federeinrichtung im Kompressionsraum auch dazu benutzt werden, eine der Rückfedereinrichtung des Rückfederraums entgegengesetzte Antriebskraft für die Kolbeneinrichtung bereitzustellen.
Dem mindestens einen Kompressionsraum ist jeweils (mindestens) ein Kolben zugeordnet, welcher für die Kompression von Medium, welches in dem mindestens einen Kolbenraum aufgenommen ist bzw. der Federeinrichtung, sorgt. Dieser entsprechende Kolben ist starr mit der Kolbeneinrichtung verbunden bzw. ist ein Teil der Kolbeneinrichtung.
Bei einer Ausführungsform ist der mindestens eine Expansionsraum in der Kolbenaufnahme angeordnet, das heißt ist in dem Zylinder angeordnet, in welchem die Kolbeneinrichtung angeordnet ist. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der mindestens eine Kompressionsraum außerhalb der Kolbenaufnahme für die Kolbeneinrichtung angeordnet ist.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der mindestens eine Expansionsraum und der mindestens eine Kompressionsraum auf der gleichen Achse angeordnet sind oder auf unterschiedlichen Abständen bezüglich dieser Achse angeordnet sind. Die Achse ist dabei insbesondere koaxial oder parallel zu einer Bewegungsrichtung für die lineare Bewegung der Kolbeneinrichtung. Es ist ferner grundsätzlich möglich, dass der Rückfederraum und der Kompressionsraum auf der gleichen Achse angeordnet sind oder in einem Abstand zu der Achse angeordnet sind.
Grundsätzlich kann die Federeinrichtung ein oder mehrere mechanische Federn wie beispielsweise Stahlfedern umfassen. Es ist auch möglich, dass die Federeinrichtung durch ein komprimierbares Medium gebildet ist. Weiterhin ist es möglich, dass die Federeinrichtung ein komprimierbares Medium umfasst und beispielsweise zusätzlich eine oder mehrere mechanische Federn vorgesehen sind. Insbesondere in einem Vier-Takt-Betrieb lässt sich durch die Federeinrichtung eine Vortriebskraft für die Kolbeneinrichtung bereitstellen, welche in Gegenrichtung zu der Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung im Rückfederraum wirkt.
Günstig ist es, wenn eine Fluidverbindungseinrichtung vorgesehen ist, durch welche der mindestens eine Expansionsraum und der mindestens eine Kompressionsraum fluidwirksam verbunden oder verbindbar sind. Dadurch lässt sich dem mindestens einen Expansionsraum komprimiertes Medium und insbesondere komprimiertes Gas (beispielsweise Luft) bereitstellen, um beispielsweise einen Spüldruck zu erzeugen.
Insbesondere ist über die Fluidverbindungseinrichtung dem mindestens einen Expansionsraum komprimiertes Medium (beispielsweise Ladeluft) zuführbar.
Dadurch ist mittels des mindestens einen Kompressionsraums ein Drucklader gebildet.
Es ist dann günstig, wenn die Fluidverbindungseinrichtung an einen Einlassanschluss des mindestens einen Expansionsraums fluidwirksam angeschlossen ist. Über diesen Einlassanschluss lässt sich dann eine Teilmenge oder eine Gesamtmenge von Lademedium, welches für den Betrieb benötigt wird, bereitstellen.
Es ist ferner günstig, wenn der mindestens eine Kompressionsraum ausgangsseitig mit einer Druckspeichereinrichtung fluidwirksam verbunden ist. Dadurch kann der Druckspeichereinrichtung komprimiertes Medium bereitgestellt werden, welches instantan oder zeitversetzt dem Expansionsraum bereitgestellt werden kann.
Bei einer Ausführungsform ist der mindestens eine Expansionsraum eingangsseitig mit einer Druckspeichereinrichtung fluidwirksam verbunden. Dadurch kann aus der Druckspeichereinrichtung komprimiertes Medium bereitgestellt werden, um beispielsweise einen Spüldruck in dem Expansionsraum zu erzeugen.
Insbesondere ist der Druckspeichereinrichtung ein Ventil zugeordnet, mittels welchem zeitlich gesteuert dem mindestens einen Expansionsraum komprimiertes Medium zuführbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, dem mindestens einen Expansionsraum zeitversetzt zu einer Erzeugungszeit des komprimierten Mediums solches komprimiertes Medium bereitzustellen.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Druckspeichereinrichtung durch eine oder mehrere Leitungen für Medium gebildet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Druckspeichereinrichtung mindestens einen Speicherbehälter für Medium. Dieser Speicherbehälter kann einen Pufferspeicher für komprimiertes Medium bilden. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, eine Bereitstellung von komprimiertem Medium in einen Expansionsraum zeitlich von der Herstellung des komprimierten Mediums in den mindestens einen Kompressionsraum zu entkoppeln.
Vorteilhafterweise ist dem mindestens einen Kompressionsraum mindestens ein erster Anschluss zugeordnet, über den Medium einführbar ist und insbesondere Medium aus einer Medium enthaltenden Umgebung einführbar ist. Beispielsweise ist über den ersten Anschluss Luft aus der Umgebung in den Kompressionsraum einsaugbar. Dadurch ist es möglich, den Kompressionsraum mit zu komprimierendem Medium zu beladen.
Insbesondere sitzt an dem ersten Anschluss eine steuerbare Ventileinrichtung (Ladeventileinrichtung). Dadurch lässt sich zeitlich gesteuert und insbesondere angepasst an einen entsprechenden Taktbetrieb der Freikolbenvorrichtung Medium in den mindestens einen Kompressionsraum einsaugen.
Ferner ist dem mindestens einen Kompressionsraum mindestens ein zweiter Anschluss zugeordnet, über den komprimiertes Medium abführbar ist. Über den zweiten Anschluss lässt sich komprimiertes Medium zu weiteren Verwendung bereitstellen (insbesondere in einem Vier-Takt-Betrieb) oder es lässt sich komprimiertes Medium abführen, um beispielsweise eine Gasfeder, welche durch komprimiertes Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum gebildet ist, ”auszuschalten”; dies ist insbesondere vorteilhaft bzw. erforderlich in einem Vier-Takt-Betrieb der Freikolbenvorrichtung. Der zweite Anschluss kann getrennt von einem ersten Anschluss sein oder integral mit dem ersten Anschluss ausgebildet sein.
Es ist dann günstig, wenn in dem zweiten Anschluss eine steuerbare Ventileinrichtung angeordnet ist. Dadurch ist eine entsprechende zeitliche Steuerung möglich. Insbesondere ist eine steuerbare Ventileinrichtung dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zugeordnet, um eine aneinander angepasste zeitliche Steuerung zu ermöglichen. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss mittels der Ventileinrichtung gebildet sind.
Das Medium ist insbesondere ein Gas wie Luft.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Medium ein Oxidator für die Verbrennung von Treibstoff in dem mindestens einen Expansionsraum und ist insbesondere Luft.
Bei einer Ausführungsform ist der mindestens eine Kompressionsraum bezüglich einer Volumenänderung invers zu dem mindestens einen Rückfederraum angeordnet, wobei eine Volumenerhöhung des Rückfederraums eine synchrone Volumenerniedrigung des mindestens einen Kompressionsraums bewirkt und eine Volumenerniedrigung des mindestens einen Rückfederraums eine synchrone Volumenerhöhung des mindestens einen Kompressionsraums bewirkt. Dadurch kann beispielsweise mittels der Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung im Rückfederraum komprimiertes Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum erzeugt werden.
Bei einer Ausführungsform sind dann der mindestens eine Kompressionsraum und der mindestens eine Rückfederraum in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei eine der zweiten Kolbenseite gegenüberliegende Kolbenseite, welche insbesondere an dem Kolben mit der zweiten Kolbenseite gebildet ist, den mindestens einen Kompressionsraum begrenzt. Dadurch lassen sich ein Kompressionsraum und der Rückfederraum kompakt in einem Gehäuse unterbringen.
Es ist auch möglich, dass der mindestens eine Kompressionsraum und der mindestens eine Rückfederraum in unterschiedlichen Gehäusen angeordnet sind. Je nach Anwendung lässt sich dann eine optimierte Bauweise realisieren.
Es ist auch möglich, dass der mindestens eine Expansionsraum und der mindestens eine Kompressionsraum bezüglich einer Volumenänderung invers zueinander angeordnet sind, wobei eine Volumenerhöhung des mindestens einen Expansionsraum eine synchrone Volumenerniedrigung des mindestens einen Kompressionsraums bewirkt und eine Volumenerniedrigung des mindestens einen Expansionsraums eine synchrone Volumenerhöhung des mindestens einen Kompressionsraums bewirkt. Dadurch kann beispielsweise ein Arbeitstakt im Expansionsraum direkt zur Erzeugung von komprimiertem Medium verwendet werden.
Insbesondere sind dann der mindestens eine Kompressionsraum und der mindestens eine Expansionsraum in einem gleichen Gehäuse oder gleichen Gehäuseteil angeordnet, wobei eine der ersten Kolbenseite gegenüberliegende Kolbenseite den mindestens einen Kompressionsraum begrenzt und insbesondere die erste Kolbenseite und die den mindestens einen Kompressionsraum begrenzende Kolbenseite am gleichen Kolben gebildet sind. Dadurch lässt sich eine kompakte Bauweise erhalten.
Bei einer Ausführungsform ist dem mindestens einen Expansionsraum ein erster Kompressionsraum zugeordnet und dem mindestens einen Rückfederraum ist ein zweiter Kompressionsraum zugeordnet, wobei der erste Kompressionsraum und der zweite Kompressionsraum getrennte Räume sind. Es ist dadurch möglich, eine größere Menge an komprimiertem Medium zu erzeugen und Pulsationen zu erniedrigen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Lineartrieb mit einer an der Kolbeneinrichtung angeordneten Magneteinrichtung und einer Spuleneinrichtung vorgesehen, wobei die Magneteinrichtung relativ zu der Spuleneinrichtung beweglich ist. Durch Bewegung der Kolbeneinrichtung wird die Magneteinrichtung, welche insbesondere Permanentmagnete umfasst, an der Spuleneinrichtung bewegt. Dadurch wird eine Spannung induziert und es lässt sich ein nutzbarer Strom erzeugen. Durch die Freikolbenvorrichtung lässt sich dadurch elektrischer Strom erzeugen. Über eine entsprechende Strombeaufschlagung der Spuleneinrichtung kann auch die Bewegung der Kolbeneinrichtung insbesondere bezüglich Hub, Verdichtung usw. beeinflusst werden.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich erweiterte Betriebsmöglichkeiten ergeben.
Diese Aufgabe wird bei dem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiertes Medium erzeugt wird, welches dem mindestens einen Expansionsraum bereitgestellt wird und/oder die in dem mindestens einen Kompressionsraum angeordnete Federeinrichtung zum Antrieb der Kolbeneinrichtung verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere an der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung durchgeführt.
Der mindestens eine Kompressionsraum bewirkt insbesondere in einem Vier-Takt-Betrieb über eine in diesem angeordnete Federeinrichtung (wie eine mechanische Federeinrichtung oder Gasfedereinrichtung) bei Entspannung (Dekompression) der Federeinrichtung eine Bewegung der Kolbeneinrichtung von dem oberen Totpunkt (bezogen auf den Expansionsraum) zu dem unteren Totpunkt. Bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung in Gegenrichtung wird die Federeinrichtung gespannt (komprimiert).
Beispielsweise in einem Zwei-Takt-Betrieb lässt sich das komprimierte Medium dazu verwenden, um eine Spüldruckdifferenz in dem mindestens einen Expansionsraum zu erzeugen.
In einem Vier-Takt-Betrieb lässt sich ein komprimiertes Medium beispielsweise als Gasfeder einsetzen, um eine Antriebskraft für die Kolbeneinrichtung entgegen einer Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung bereitzustellen.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Antriebskraft entgegen der Rückstellkraft durch eine mechanische Federeinrichtung, welche eine oder mehrere mechanische Federn umfasst, bereitzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere lässt sich die Freikolbenvorrichtung in einem Zwei-Takt-Betrieb oder in einem Vier-Takt-Betrieb betreiben. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass an der gleichen Freikolbenvorrichtung ohne bauliche Veränderungen ein Zwei-Takt-Betrieb oder Vier-Takt-Betrieb möglich ist.
Bei einer Ausführungsform eines Zwei-Takt-Betriebs wird eine Ventileinrichtung, welche dem mindestens einen Kompressionsraum zugeordnet ist, so angesteuert, dass der mindestens eine Kompressionsraum entweder fluidwirksam mit einer Medium enthaltenden Umgebung verbunden ist oder mit einer Druckspeichereinrichtung verbunden ist. Der mindestens eine Kompressionsraum hat dadurch zwei Betriebsmodi, nämlich zum einen Einsaugen von Medium zur späteren Kompression, und zum anderen der Kompressionsvorgang.
Insbesondere erfolgt der Betrieb dann derart, dass bei Stellung der Kolbeneinrichtung im oberen Totpunkt OT_ex bezogen auf den mindestens einen Expansionsraum die Ventileinrichtung so angesteuert wird, dass der mindestens eine Kompressionsraum fluidwirksam mit der Umgebung verbunden ist. Dadurch kann Medium aus der Umgebung (insbesondere Luft) in den mindestens Kompressionsraum einströmen.
Beim Herausbewegen der Kolbeneinrichtung aus dem oberen Totpunkt OT_ex wird dann Medium aus der Umgebung in den mindestens einen Kompressionsraum eingesaugt. Dieser wird mit Medium befüllt.
Wenn die Ventileinrichtung in einem oberen Totpunkt OT_r der Kolbeneinrichtung bezogen auf den mindestens einen Rückfederraum so angesteuert wird, dass der mindestens eine Kompressionsraum fluidwirksam mit der Druckspeichereinrichtung verbunden wird, dann lässt sich bei der entsprechenden Bewegung der Kolbeneinrichtung aus dem oberen Totpunkt OT_r heraus komprimiertes Medium erzeugen und in die Druckspeichereinrichtung einkoppeln.
Es wird dann beim Herausbewegen der Kolbeneinrichtung aus dem oberen Totpunkt OT_r Medium komprimiert und der Druckspeichereinrichtung zur späteren Verwendung insbesondere als Lademedium bereitgestellt.
Insbesondere wird komprimiertes Medium aus der Druckspeichereinrichtung dem mindestens einen Expansionsraum für einen Spülvorgang am Ende einer Expansionsphase der Kolbeneinrichtung in dem mindestens einen Expansionsraum bereitgestellt. Es ist dadurch ein zeitlicher Versatz zwischen Entstehung des komprimierten Mediums und Einkopplung des komprimierten Mediums in den Expansionsraum erreicht. Komprimiertes Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum wird erst nach Ende der Expansionsphase der Kolbeneinrichtung (am Ende der Expansionsphase befindet sich die Kolbeneinrichtung am unteren Totpunkt bezogen auf den Expansionsraum) in dem mindestens einen Kompressionsraum erzeugt, wobei es bereits sofort am Ende der Expansionsphase im Expansionsraum benötigt wird.
Bei einem Vier-Takt-Betrieb ist es vorteilhaft, wenn in einem Arbeitstakt, bei dem sich die Kolbeneinrichtung aus einem oberen Totpunkt OT_ex bezogen auf den mindestens einen Expansionsraum herausbewegt, eine Ventileinrichtung, welche dem mindestens einen Expansionsraum zugeordnet ist, so angesteuert wird, dass Medium aus der Umgebung in den mindestens einen Kompressionsraum eingesaugt wird, insbesondere wenn in einem späteren Takt (Ausschiebetakt) das komprimierte Medium eine Federeinrichtung bildet, welche die Kolbeneinrichtung in einem Vorwärtsschub mit einer Kraft antreibt, welche entgegen der Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung im Rückfederraum gerichtet ist. In diesem Arbeitstakt, in dem beispielsweise eine Verbrennung in dem Expansionsraum stattfindet, wird dann der mindestens eine Kompressionsraum mit Frischmedium beladen.
In einem nach einem Arbeitstakt folgenden Ausschiebetakt für Abgase, welche in dem Arbeitstakt erzeugt wurden und welcher auf den Arbeitstakt folgt und bei dem sich die Kolbeneinrichtung in Richtung des oberen Totpunkts OT_ex (von dem unteren Totpunkt UT_ex aus) bewegt, wird vorteilhafterweise die Ventileinrichtung so angesteuert, dass Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiert wird und/oder die Federeinrichtung wird in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiert. Die Federeinrichtung wirkt dabei als Energiespeicher, in welchem mechanische Energie gespeichert wird zur Erzeugung einer Antriebskraft in einem nachfolgenden Takt. Ferner dient die Federeinrichtung zur Abfederung der Rückbewegung der Kolbeneinrichtung. Wenn eine komprimierbares Medium verwendet wird, dann bildet dieses eine Gasfeder.
Es ist dann günstig, wenn in einem nachfolgenden Ansaugtakt, welcher auf den Ausschiebetakt folgt und bei dem Frischgas in den mindestens einen Expansionsraum einströmt, die Federeinrichtung die Kolbeneinrichtung von dem oberen Totpunkt (OT_ex) bezogen auf den Expansionsraum in Richtung des unteren Totpunkts (UT_ex) bewegt und insbesondere Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum eine Gasfeder für die Kolbeneinrichtung bildet. Die Entspannung der Federeinrichtung wirkt der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung entgegen und bewirkt eine Verschiebung der Kolbeneinrichtung ausgehend von dem oberen Totpunkt OT_ex in Richtung des unteren Totpunkts UT_ex über eine entsprechende Federkraft. Wenn der Kompressionsraum mit einem komprimierten Medium befüllt ist, dann bewirkt die Entspannung dieses Mediums einen Vortrieb der Kolbeneinrichtung entgegen der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung. Das komprimierbare Medium bildet dann eine Gasfeder.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in einem nachfolgenden Verdichtungstakt, welcher auf den Ansaugtakt folgt und bei welchem Gas in dem mindestens einen Expansionsraum verdichtet wird, die Ventileinrichtung so angesteuert wird, dass Medium aus dem mindestens einen Kompressionsraum ausströmt. Dadurch kann anschließend neues Frischmedium zur späteren Verwendung in dem Ansaugtakt in den mindestens einen Kompressionsraum einströmen. Es ist dabei grundsätzlich auch möglich, dass das ausströmende Medium an die Umgebung abgegeben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird ausströmendes komprimiertes Medium einer Druckspeichereinrichtung bereitgestellt, um beispielsweise das komprimierte Medium dem Expansionsraum bereitstellen zu können. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Freikolbenvorrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Freikolbenvorrichtung;
7 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ventileinrichtung, welche einem Kompressionsraum zugeordnet ist;
8 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Ventileinrichtung; und
9 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Ventileinrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst (mindestens) einen Freikolbenmotor 12. Der Freikolbenmotor 12 wiederum umfasst eine als Ganzes mit 14 bezeichnete Kolbenaufnahme (Zylinder). In der Kolbenaufnahme ist eine Kolbeneinrichtung 16 linear beweglich angeordnet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Kolbeneinrichtung 16 einen ersten Kolben 18 und einen zweiten Kolben 20 auf. Der erste Kolben 18 und der zweite Kolben 20 sind über ein Verbindungselement 22 wie beispielsweise eine Stange miteinander verbunden.
Der Freikolbenmotor 12 weist eine Expansionskammer 24 auf, in welcher ein Expansionsraum 26 gebildet ist. Der Expansionsraum 26 ist beispielsweise ein Verbrennungsraum, in welchem ein Treibstoff mit Oxidator (insbesondere Luft) verbrennen kann und damit die Kolbeneinrichtung 16 antreibt.
Die Expansionskammer 24 weist ein Gehäuse 28 auf, in welchem der erste Kolben 18 angeordnet ist. Der erste Kolben 18 begrenzt dabei mit einer ersten Kolbenseite 30 den Expansionsraum 26. Der Expansionsraum 26 hat dabei ein variables Volumen.
Bei einer Ausführungsform ist an einer Stirnseite 32 der Expansionskammer 24 ist (mindestens) ein Einlassanschluss 34 angeordnet, über welchen Oxidator, Treibstoff bzw. ein Oxidator-Treibstoff-Gemisch in den Expansionsraum 26 einkoppelbar ist. An dem Einlassanschluss sitzt (mindestens) ein steuerbares Ventil 36, welches signalwirksam mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden ist. Der Einlassanschluss 34 lässt sich dadurch gesteuert öffnen und sperren.
An der Stirnseite 32 ist weiterhin (mindestens) ein Auslassanschluss 40 angeordnet, an welchem (mindestens) ein steuerbares Ventil 42 sitzt. Dieses steuerbare Ventil ist signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden. Über das Ventil 42 lassen sich Abfallsprodukte einer Expansionsphase und insbesondere Verbrennungsgase gesteuert abführen.
An der Stirnseite 32 sitzt ferner optional einen Zündeinrichtung 44, welche signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden ist. Über die Zündeinrichtung 44 lässt sich ein Oxidator-Treibstoff-Gemisch zünden. Es kann auch ein Einspritzventil vorgesehen sein, um Treibstoff oder ein Gemisch direkt in den Expansionsraum 26 einzuspritzen.
Die Expansionskammer 24 ist im Bereich der Stirnseite 32 so ausgebildet, dass in einem oberen Totpunkt OT_ex des Expansionsraums 26 der Kolbeneinrichtung 16 zwischen der ersten Kolbenseite 30 und der Stirnseite 32 ein Raum 46 bleibt. Dazu ist die Expansionskammer 24 beispielsweise an der Stirnseite 32 domförmig ausgebildet.
Die Kolbeneinrichtung 16 weist bezogen auf den Expansionsraum 26 auch einen unteren Totpunkt UT_ex auf. Die lineare Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 erfolgt zwischen dem oberen Totpunkt OT_ex und dem unteren Totpunkt UT_ex. Diese Totpunkte können festliegen oder variabel sein. Beispielsweise können diese über einen Lineartrieb (siehe unten) variabel einstellbar sein (gegebenenfalls auch im Betrieb). Auch eine variable Rückstellkraft des Rückfederraums (siehe unten) kann eine variable Einstellung der Totpunkte ermöglichen.
Die Kolbenaufnahme 14 weist ferner eine Kammer 48 auf. In dieser Kammer 48 ist ein Rückfederraum 50 gebildet. Der Rückfederraum 50 stellt eine Rückstellkraft der Kolbeneinrichtung 16 bereit, um diese von dem unteren Totpunkt UT_ex in Richtung des oberen Totpunkts OT_ex zu bewegen.
In dem Rückfederraum 50 ist eine Rückfedereinrichtung angeordnet. Es kann sich dabei grundsätzlich um eine mechanische Federeinrichtung handeln. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Rückfedereinrichtung durch ein komprimierbares Medium und insbesondere komprimierbares Gas gebildet, sodass eine Gasfeder zur Bereitstellung der Rückstellkraft vorhanden ist.
Der zweite Kolben 20 weist eine zweite Kolbenseite 52 auf, welche den Rückfederraum 50 in der Kammer 48 begrenzt. Das Volumen des Rückfederraums 50 ist dabei variabel.
Der Rückfederraum 50 ist der zweiten Kolbenseite 52 gegenüberliegend durch eine Stirnseite 54 der Kammer 48 begrenzt. An der Stirnseite 54 können dabei ein oder mehrere Anschlüsse 56 angeordnet sein, über die Rückfeder-Medium in den Rückfederraum 50 einkoppelbar ist bzw. aus diesem entnehmbar ist.
Dem Anschluss 56 ist dabei ein Ventil 58 zugeordnet, welches insbesondere steuerbar ist. Das Ventil 58 ist signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden.
In der Kammer 48 ist ein Kompressionsraum 60 angeordnet. Der Kompressionsraum ist durch eine der zweiten Kolbenseite 52 des zweiten Kolbens 20 gegenüberliegende Kolbenseite 62 begrenzt. Er ist ferner durch eine Stirnwand 64 der Kammer 48 begrenzt. Das Volumen des Kompressionsraums 60 ist Variabel und dabei invers variabel zu dem Volumen des Rückfederraums 50: Wenn das Volumen des Rückfederraums 50 erhöht wird, wird entsprechend synchron das Volumen des Kompressionsraums 60 erniedrigt; wenn das Volumen des Rückfederraums 50 erniedrigt wird, wird synchron das Volumen des Kompressionsraums 60 erhöht.
Die Kammer 48 weist ein Gehäuse 66 auf, in welchem sowohl der Kompressionsraum 60 als auch der Rückfederraum 50 begrenzt sind, und beide sind durch unterschiedliche Seiten des zweiten Kolbens 20 begrenzt.
In der Stirnwand 64 ist eine Öffnung 68 gebildet, durch welche das Verbindungselement 22 geführt ist. Es ist für eine entsprechende Abdichtung an der Öffnung 68 gesorgt.
Zwischen dem Gehäuse 28 und dem Gehäuse 66 der Kolbenaufnahme 14 ist ein Lineartrieb 70 des Freikolbenmotors 12 angeordnet. Dieser umfasst eine Magneteinrichtung 72. Bei einer Ausführungsform weist die Magneteinrichtung eine Mehrzahl von alternierend gepolten Magnetelementen 74 auf, welche an dem Verbindungselement 22 angeordnet sind.
Die Magneteinrichtung 72 bewegt sich mit der Kolbeneinrichtung 16.
Stationär (das heißt unbeweglich bezüglich der Kolbenaufnahme 14) ist eine Spuleneinrichtung 76 angeordnet, wobei die Magneteinrichtung 72 bei der Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 sich in der Spuleneinrichtung 76 bewegt.
Bei einer Ausführungsform wird die lineare Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 dazu verwendet, an der Spuleneinrichtung 76 elektrischen Strom zu erzeugen. Dieser elektrische Strom ist nutzbar.
Es ist grundsätzlich auch möglich, entsprechend über den Lineartrieb 70 die Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 zu steuern bzw. zu regeln. Dies ist in 1 durch die Signalverbindung der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 mit dem Lineartrieb 70 angedeutet (Bezugszeichen 78).
Die Kolbeneinrichtung 16 mit ihrem zweiten Kolben 20 weist bezogen auf den Rückfederraum 50 einen unteren Totpunkt UT_r auf, an welchem die Kolbenseite 62 ihren geringsten Abstand zu der Stirnwand 64 hat. Ferner weist sie einen oberen Totpunkt OT_r auf, bei welchem die zweite Kolbenseite 52 ihren geringsten Abstand zu der Stirnseite 54 hat. Im oberen Totpunkt OT_ex (bezogen auf den Expansionsraum 26) befindet sich die Kolbeneinrichtung 16 bezogen auf den Rückfederraum 50 in ihrem unteren Totpunkt UT_r. Entsprechend befindet sich die Kolbeneinrichtung 16 in ihrem unteren Totpunkt UT_ex bezogen auf den Expansionsraum 26 in ihrem oberen Totpunkt OT_r bezogen auf den Rückfederraum 50.
Der Kompressionsraum 60 kann ein komprimierbares Medium und insbesondere ein gasförmiges Medium aufnehmen. Insbesondere nimmt der Kompressionsraum 60 Luft auf.
An der Stirnwand 64 der Kammer 48 ist eine Anschlusseinrichtung angeordnet, über welche eine Einkopplung/Auskopplung von Medium stattfinden kann.
Grundsätzlich umfasst die Anschlusseinrichtung 80 einen ersten Anschluss 82, über den Medium aus einer Medium enthaltenden Umgebung einkoppelbar ist. Die im Medium enthaltende Umgebung ist beispielsweise die Umgebungsluft, aus der Luft in den Kompressionsraum 16 einsaugbar ist.
Ferner umfasst die Anschlusseinrichtung 80 einen zweiten Anschluss 84, über den Medium und insbesondere komprimiertes Medium aus dem Kompressionsraum 60 abführbar ist.
An der Anschlusseinrichtung 80 sitzt eine Ventileinrichtung 86. Über diese lassen sich das Öffnen und Schließen des ersten Anschlusses 82 und des zweiten Anschlusses 84 zeitlich steuern. Die Ventileinrichtung 86 ist dazu signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden.
Der Anschlusseinrichtung 80 ist eine Fluidverbindungseinrichtung 88 zugeordnet, über welche Medium und insbesondere komprimiertes Medium aus dem Kompressionsraum 60 dem Expansionsraum 26 über dessen Einlassanschluss 34 bereitstellbar ist. Es lässt sich dadurch ein Drucklader bzw. eine Spülung realisieren.
Die Fluidverbindungseinrichtung 88 ist an eine Druckspeichereinrichtung 90 angeschlossen. Die Druckspeichereinrichtung 90 kann dabei grundsätzlich durch eine oder mehrere Leitungen 92 gebildet sein, über welche Medium (insbesondere komprimiertes Medium) von dem Kompressionsraum 60 dem Einlassanschluss 34 zugeführt wird.
Es ist auch möglich, dass die Druckspeichereinrichtung 90 zusätzlich einen oder mehrere Speicherbehälter 94 umfasst. Dadurch lässt sich auch eine Puffer-Druckspeicherung realisieren.
Es ist dabei grundsätzlich vorgesehen, dass der Druckspeichereinrichtung 90 und insbesondere dem Speicherbehälter 94 ein steuerbares Ventil 96 zugeordnet ist, welches signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden ist. Durch das Ventil 96 lässt sich eine Bereitstellung von puffergespeichertem komprimierten Medium an den Expansionsraum 26 zeitlich steuern.
Der Kompressionsraum 60 ist ein von dem Expansionsraum 26 und dem Rückfederraum 50 getrennter Raum, in welchem Medium komprimierbar ist. Er ist ein Funktionsraum, wobei beispielsweise durch dort komprimiertes Medium der Druck, welcher an dem Einlassanschluss 34 ansteht, erhöhbar ist; dies ist insbesondere in einem Zwei-Takt-Betrieb des Freikolbenmotors 12 sinnvoll.
Komprimiertes Medium in dem Kompressionsraum 60 kann beispielsweise auch in einem Vier-Takt-Betrieb dazu verwendet werden, eine Gasfeder bereitzustellen. Es ist dabei grundsätzlich insbesondere in einem Vier-Takt-Betrieb auch möglich, dass in dem entsprechenden Kompressionsraum 60 alternativ oder zusätzlich eine mechanische Federeinrichtung 85 angeordnet ist. Diese mechanische Federeinrichtung 85 umfasst dabei eine oder mehrere mechanische Federn, welche sich an dem zweiten Kolben 20 und einer Wand des Kompressionsraums 60 (insbesondere an der Stirnwand 64) abstützt.
Bei einer Ausführungsform ist die Ventileinrichtung 86, welche an der Anschlusseinrichtung 80 sitzt, als Drei/Zwei-Wegeventil 98 ausgebildet (7). Es gibt grundsätzlich zwei Fluidwege, nämlich einen den ersten Anschluss 82 zugeordneten Einkopplungsweg für Medium aus der Umgebung und einen dem zweiten Anschluss 84 zugeordneten Auskopplungsweg für komprimiertes Medium aus dem Kompressionsraum 60.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer Ventileinrichtung 86, sind, wie in 8 angedeutet, ein erstes Sperrventil 100 für den ersten Anschluss 82 und ein zweites Sperrventil 102 für den zweiten Anschluss 84 vorgesehen. Die Sperrventile 100, 102 sind insbesondere schwellengesteuert (beispielsweise durch Federbelastung). Sie öffnen beispielsweise erst, wenn ein bestimmter Schwellendruck überschritten bzw. unterschritten ist. Insbesondere ist dann beispielsweise das erste Sperrventil 100, welches dem ersten Anschluss 82 zugeordnet ist, geöffnet, bis eine bestimmte Druckschwelle überschritten wird. Das zweite Sperrventil 102 öffnet, wenn eine bestimmte Druckschwelle überschritten wird. Die Sperrventile 100, 102 sind insbesondere Rückschlagventile ohne aktive Ansteuerung. Sie sind insoweit ”passiv” über die Schwellenwerte gesteuert.
Es ist auch möglich, dass die Ventileinrichtung 86, wie in 9 angedeutet, für den ersten Anschluss 82 und den zweiten Anschluss 84 getrennte steuerbare Ventile 104, 106 umfasst.
Die Ventileinrichtung 86 für einen Kompressionsraum kann mittels unterschiedlicher Arten von Ventilen ausgebildet sein, wie Tellerventile, Schaltventile, Rückschlagventile, Überströmventile, Drehschiebeventile usw.
Der Freikolbenmotor 12 funktioniert wie folgt:
In einem Zwei-Takt-Betrieb ist die Ventileinrichtung 86 (Ladeventileinrichtung) so geschaltet, dass entweder der erste Anschluss 82 geöffnet ist und der zweite Anschluss 84 geschlossen ist, oder der erste Anschluss 82 geschlossen ist und der zweite Anschluss 84 geöffnet ist. Im ersten Falle ist der Kompressionsraum 60 fluidwirksam mit der Umgebung verbunden, sodass Medium aus der Umgebung in den Kompressionsraum 60 eingesaugt werden kann. Im zweiten Falle ist der Kompressionsraum 60 fluidwirksam mit der Druckspeichereinrichtung 90 verbunden, sodass komprimiertes Medium an die Druckspeichereinrichtung 90 zur Pufferung bzw. zur direkten Zuführung an den Einlassanschluss 34 abgebbar ist.
Wenn sich der erste Kolben 18 der Kolbeneinrichtung 16 in dem oberen Totpunkt OT_ex (bezogen auf den Expansionsraum 26) befindet, dann wird die Ventileinrichtung 86 so angesteuert, dass der erste Anschluss 82 aktiv ist, das heißt dass Medium in den Kompressionsraum 86 einsaugbar ist. Wenn sich der erste Kolben 18 dann aus dem oberen Totpunkt OT_ex in Richtung des unteren Totpunkts UT_ex bewegt, so vergrößert sich das Volumen des Expansionsraums 26 und synchron vergrößert sich das Volumen des Kompressionsraums 60. Der in dem Kompressionsraum 60 entstehende Unterdruck bewirkt, dass Medium (insbesondere Frischluft) aus der Umgebung durch den ersten Anschluss 82 in den Kompressionsraum 60 eingesaugt wird.
In dem Rückfederraum 50 wird die entsprechende Federeinrichtung komprimiert. Wenn als Rückfedereinrichtung eine Gasfeder verwendet wird, steigt in dem Rückfederraum 50 der Druck. Dadurch wird die Kolbeneinrichtung 16 abgebremst und kommt im oberen Totpunkt OT_r (bezogen auf den Rückfederraum 50) zum Stehen. Es dreht sich dann die Bewegungsrichtung um.
Wenn die Kolbeneinrichtung 16 sich im oberen Totpunkt OT_r befindet, wird die Ventileinrichtung 86 so angesteuert, dass der erste Anschluss 82 gesperrt wird und der Kompressionsraum 60 fluidwirksam mit der Druckspeichereinrichtung 90 verbunden wird. Wenn sich dann der zweite Kolben 20 von dem oberen Totpunkt OT_r in Richtung des unteren Totpunkts UT_r (bezogen auf den Rückfederraum 50) aufgrund der Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung des Rückfederraums 50 bewegt, dann wird das Medium in dem Kompressionsraum 60 komprimiert. Dadurch wird die Druckspeichereinrichtung 90 ”gefüllt”. Es wird der Speicherbehälter 94 gefüllt bzw. an dem Einlassanschluss 34 steht komprimiertes Medium an.
Wenn sich die Bewegungsrichtung der Kolbeneinrichtung 16 wiederum umdreht, wenn der erste Kolben 18 den oberen Totpunkt OT_ex erreicht bzw. der zweite Kolben 20 den unteren Totpunkt UT_r erreicht, dann wird die Ventileinrichtung 86 wiederum so angesteuert, dass der zweite Anschluss 84 geschlossen und der erste Anschluss 82 geöffnet wird. Dadurch kann der Kompressionsraum 60 mit komprimierbarem Medium neu beladen werden.
Wie oben erwähnt, kann die Druckspeichereinrichtung 90 durch eine oder mehrere Leitungen 92 gebildet sein. Im Falle des Vorsehens eines Speicherbehälters 94 wird insbesondere das Ventil 96 so angesteuert, dass ein zeitlicher Versatz zwischen der Zuführung von komprimiertem Medium an dem Einlassanschluss 34 und der Erzeugung des komprimierten Mediums in dem Kompressionsraum 60 vorliegt.
Das komprimierte Medium wird in dem Kompressionsraum 60 während der Kompressionsphase des ersten Kolbens 18 (während der Bewegung des ersten Kolbens 18 von seinem unteren Totpunkt UT_ex in den oberen Totpunkt OT_ex) erzeugt. Eine Spülung des Expansionsraums 26 (Einkopplung von Oxidator und Treibstoff und Abführung von Abgasen) erfolgt aber erst am Ende einer Expansionsphase der Kolbeneinrichtung 16 (am Ende der Phase der Bewegung zwischen dem oberen Totpunkt OT_ex und dem unteren Totpunkt UT_ex). Dadurch liegt ein zeitlicher Versatz vor, wann komprimiertes Medium für die Spülung benötigt wird und wann komprimiertes Medium in dem Kompressionsraum 60 erzeugt wird. Durch den Speicherbehälter 94 und entsprechend der Ansteuerung des Ventils 96 lässt sich dies ausgleichen, das heißt der Speicherbehälter 94 wirkt als Pufferspeicher und komprimiertes Medium wird dem Expansionsraum 26 dann bereitgestellt, wenn dieses benötigt wird, nämlich in einem kurzen Zeitraum um Erreichen des unteren Totpunkts UT_ex des ersten Kolbens 18 herum.
Bei dem Zwei-Takt-Betrieb des Freikolbenmotors 12 wird komprimiertes Medium und insbesondere Ladeluft dem Expansionsraum 26 insbesondere als Verbrennungsraum bereitgestellt. Der Kompressionsraum 60 bildet gewissermaßen eine Pumpe zur Bereitstellung von komprimierter Ladeluft.
Es kann dann beispielsweise die gesamte für einen Verbrennungsprozess im Expansionsraum 26 benötigte Frischluft oder nur ein Teil davon in dem Kompressionsraum 60 komprimiert werden.
Grundsätzlich ist es dann beispielsweise möglich, dass ein zusätzlicher elektrischer Drucklader bereitgestellt wird. Dieser kann gegebenenfalls durch den Lineartrieb 70 angetrieben werden.
In 1 sind der erste Kolben 18 und der zweite Kolben 20 mit gleichem Durchmesser gezeigt. Es ist auch möglich, dass der zweite Kolben 20 einen anderen Durchmesser als der erste Kolben 18 aufweist. Durch Einstellung des Durchmessers des zweiten Kolbens 20 in Relation zu dem ersten Kolben 18 kann die Masse einem komprimierten Medium so eingestellt werden, dass sie der für die Spülung des Expansionsraums 26 benötigten Masse entspricht.
Bei einem Vier-Takt-Betrieb des Freikolbenmotors 12 gibt es grundsätzlich vier verschiedene Takte, nämlich:
In einem Arbeitstakt erfolgt beispielsweise die Verbrennung von Treibstoff in dem Expansionsraum 26. Die Kolbeneinrichtung 16 mit ihrem ersten Kolben 18 bewegt sich dadurch von dem oberen Totpunkt OT_ex in Richtung des unteren Totpunkts UT_ex. Bei dieser Bewegung wird die Rückfedereinrichtung im Rückfederraum 50 komprimiert. Die Ventileinrichtung 86 ist so angesteuert, dass der erste Anschluss 82 offen ist und Medium aus der Umgebung in den Kompressionsraum 60 eingesaugt wird.
In einem anschließenden Ausschiebetakt treibt die Rückfedereinrichtung im Rückfederraum 50 die Kolbeneinrichtung 16 in Gegenrichtung von dem unteren Totpunkt UT_ex in den oberen Totpunkt OT_ex. Die Ventileinrichtung 86 wird dabei so angesteuert, dass der Kompressionsraum 60 gesperrt ist, das heißt dass kein Medium aus diesem entweichen kann. Ein oder mehrere Ventile 42 an dem oder den Auslassanschlüssen 40 sind dabei offen, sodass Abgase aus dem Expansionsraum 26 abgestoßen werden können. Das Medium in dem Kompressionsraum 60 wird invers zu der Volumenänderung des Rückfederraums 50 komprimiert. Der Druck im Kompressionsraum 60 steigt und die Kolbeneinrichtung 16 wird dadurch über den Kompressionsraum 60 abgebremst.
In einem nachfolgenden Ansaugtakt sind das oder die Ventile 42 geschlossen. Der oder die Einlassanschlüsse 34 sind geöffnet und Oxidator und Treibstoff können eingekoppelt werden. Die Kolbeneinrichtung 16 bewegt sich von dem oberen Totpunkt OT_ex in Richtung des unteren Totpunkts UT_ex. Dies bewirkt ein Ansaugen von Frischgas in den Expansionsraum 26. Die Rückfedereinrichtung in dem Rückfederraum 50 wird komprimiert und der Kompressionsraum 60 wird expandiert. Dadurch wird die Kolbeneinrichtung 16 in Richtung des oberen Totpunkts OT_r (bezogen auf den Rückfederraum 50) beschleunigt.
Bei Erreichen des oberen Totpunkts OT_r (bezogen auf den Rückfederraum 50) werden das oder die Ventile 36, welche dem oder den Einlassanschlüssen 34 zugeordnet sind, geschlossen. Der Expansionsraum 26 ist jetzt mit einem Treibstoff-Oxidator-Gemisch befüllt. Die Rückfedereinrichtung des Rückfederraums 50 stellt eine Rückstellkraft bereit, welche die Kolbeneinrichtung 16 in Richtung des oberen Totpunkts OT_ex (bezogen auf den Expansionsraum 26) beschleunigt. Das Gemisch im Expansionsraum 26 wird verdichtet (Kompressionstakt).
Bei einer Ausführungsform ist der Kompressionsraum 60 fluidwirksam mit der Umgebung verbunden. Dadurch wird sichergestellt, dass komprimiertes Medium nicht in dem Kompressionsraum 60 verbleibt. Durch die Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 wird Medium aus dem Kompressionsraum 60 ausgetrieben.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird der zweite Anschluss 84 geöffnet. Dadurch wird komprimiertes Medium der Druckspeichereinrichtung 90 bereitgestellt.
Im ersten Falle hat der Kompressionsraum 60 während des Arbeitstakts und des Verdichtungstakts keine Funktion. Im zweiten Falle wird er zur Bereitstellung von komprimiertem Medium benutzt.
Bei einem Zwei-Takt-Prozess wird das komprimierte Medium, welches in dem Kompressionsraum 60 erzeugt wurde, dazu verwendet, ein Druckgefälle zwischen dem Einlassanschluss 34 und dem Auslassanschluss 40 bereitzustellen.
Bei einem Vier-Takt-Betrieb wird das komprimierte Medium in dem Kompressionsraum 60 dazu benutzt, eine Gasfeder bereitzustellen, um die Kolbeneinrichtung 16 im Ansaugtakt anzutreiben.
Zusätzlich kann durch die Bereitstellung von komprimiertem Medium für den Expansionsraum 26 auch eine Wirkungsgradverbesserung bei einem Vier-Takt-Betrieb erzielt werden.
Durch entsprechende zeitliche Ansteuerung der Ventileinrichtung 86 ist es dabei auch bei einem Vier-Takt-Betrieb möglich, die Kolbenbewegung und gegebenenfalls eine Verdichtung oder einen Hub zu beeinflussen. Durch den Kompressionsraum 60 bzw. eine Steuerzeit der Ventileinrichtung 86 ist dann eine weitere Stellgröße zur Steuerung/Regelung des Betriebs der Freikolbenvorrichtung 10 bereitgestellt.
Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass eine mechanische Federeinrichtung in dem Kompressionsraum 60 angeordnet ist. In dem Arbeitstakt und in dem Verdichtungstakt hat die Federeinrichtung keine besondere Funktion. In dem Ausschiebetakt wird die Federeinrichtung in den Kompressionsraum 60 komprimiert. Die mechanische Federeinrichtung wird gespannt. In dem nachfolgenden Ansaugtakt kann sich die Federeinrichtung entspannen. Sie erzeugt dabei eine Vortriebskraft entgegen der Rückstellkraft der Rückfedereinrichtung und treibt die Bewegung der Kolbeneinrichtung 16 von dem oberen Totpunkt OT_ex in Richtung des unteren Totpunkts UT_ex an.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 2 schematisch gezeigt und dort mit 108 bezeichnet ist, ist ein Gehäuse 110 vorgesehen, in welchem der Expansionsraum 26 gebildet ist.
In dem Gehäuse 110 ist ein weiterer Kompressionsraum 112 gebildet. Dieser Kompressionsraum ist durch eine Kolbenseite 114 begrenzt, welche der ersten Kolbenseite 30 des ersten Kolbens 18 gegenüberliegt.
Das Gehäuse 110 weist weiterhin eine Stirnwand 116 auf, welche den Kompressionsraum 112 dem ersten Kolben 18 gegenüberliegend begrenzt.
An der Stirnwand 116 ist eine Anschlusseinrichtung 118 angeordnet, an welcher eine steuerbare Ventileinrichtung 120 sitzt.
Ansonsten ist der Freikolbenmotor 108 (insbesondere bezüglich des Rückfederraums 50) gleich ausgebildet wie der Freikolbenmotor 12.
Der Kompressionsraum 112 ist ein Kompressionsraum, welcher invers zu dem Expansionsraum 26 ist: Wenn das Volumen des Expansionsraums 26 sich vergrößert, dann verkleinert sich das Volumen des Kompressionsraums 112 synchron und umgekehrt. Die Volumenänderung des Kompressionsraums 112 ist wiederum synchron zu der Volumenänderung des Rückfederraums 50.
Die Ventileinrichtung 120 ist mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden. Durch sie lässt sich entsprechend steuern, dass Medium in den Kompressionsraum 112 eingesaugt wird bzw. komprimiertes Medium abgeführt wird.
Der Kompressionsraum 60 bildet einen ersten Kompressionsraum und der Kompressionsraum 112 bildet einen zweiten Kompressionsraum, wobei diese Kompressionsräume getrennt voneinander sind. Durch das Vorsehen von mehreren Kompressionsräumen ergeben sich erhöhte Steuerungsmöglichen bzw. erhöhte Regelungsmöglichkeiten. Es lässt sich eine größere Masse pro Arbeitstakt an komprimiertem Medium bereitstellen.
Durch das Vorsehen von mehrere Kompressionsräumen kann eine größere Mediummenge verdichtet werden und es können zusätzlich Pulsationen verringert werden, da eine Mediumkomprimierung sowohl in einer Aufbewegung als auch in einer Abbewegung erfolgt. Auch der Rückfederraum 50 ist ein Kompressionsraum, wenn eine Gasfeder dort verwendet wird.
Insbesondere ist die Anschlusseinrichtung 118 mit der Druckspeichereinrichtung 90 verbunden.
Durch den Kompressionsraum 112 lässt sich komprimiertes Medium in einem anderen Takt bereitstellen verglichen zu dem Kompressionsraum 60.
Ansonsten funktioniert der Freikolbenmotor 108 wie beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 3 schematisch gezeigt und dort mit 122 bezeichnet ist, ist ein Gehäuse 124 vorgesehen, in welchem der erste Kolben 18 angeordnet ist. Der erste Kolben 18 begrenzt dabei mit seiner ersten Kolbenseite 30 den Expansionsraum 26. Mit einer der ersten Kolbenseite gegenüberliegenden zweiten Kolbenseite 126 begrenzt er einen Rückfederraum 128, welcher in dem gleichen Gehäuse 124 gebildet ist.
Der zweite Kolben 20 ist in einem Gehäuse 130 angeordnet, in welchem ein Kompressionsraum 132 und kein Rückfederraum gebildet ist.
Der Freikolbenmotor 122 funktioniert grundsätzlich gleich wie der Freikolbenmotor 12, wobei sich der Freikolbenmotor 122 und der Freikolbenmotor 12 nur in der Anordnung des Rückfederraums 50 unterscheiden.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 4 schematisch gezeigt und dort mit 134 bezeichnet ist, sind ein Gehäuse entsprechend dem Gehäuse 110 und ein Gehäuse entsprechend dem Gehäuse 66 vorgesehen. Bei dem Freikolbenmotor 108 liegen dabei die Gehäuse 110 und 66 auf einer Linie und sind insbesondere koaxial zueinander. Bei dem Freikolbenmotor 134 ist eine Kolbeneinrichtung 136 vorgesehen (mit dem ersten Kolben 18 und dem zweiten Kolben 20), wobei die Gehäuse 110 und 66 nicht koaxial zueinander liegen, sondern in einer Richtung 137 quer zu einer Bewegungsrichtung 138 der Kolbeneinrichtung 136 beabstandet sind. An dem ersten Kolben 18 sitzt ein Verbindungselement 140 beispielsweise in Form einer Stange. Dieses Verbindungselement erstreckt sich koaxial zu dem Kolben 18 in der Bewegungsrichtung 138. An der Stange 138 sitzt die Magneteinrichtung 72, welche sich in der Spuleneinrichtung 76 bewegt.
An dem Verbindungselement 140 sitzt ein Querelement 142, welches in der Richtung 137 orientiert ist. An dem Querelement 142 sitzt wiederum ein weiteres Verbindungselement 144, welches mindestens näherungsweise parallel zu der Bewegungsrichtung 138 ausgerichtet ist. An dem Verbindungselement 144 wiederum sitzt der zweite Kolben 20 in dem Gehäuse 66.
Das Verbindungselement 144 und das Verbindungselement 140 sind miteinander näherungsweise parallel zueinander orientiert.
Der erste Kolben 18 und der zweite Kolben 20 bewegen sich parallel zueinander, wobei sie in der Richtung 137 beabstandet zueinander sind.
Das Querelement 142 weist eine erste Seite 148 auf, welche dem Gehäuse 110 zugewandt ist. Es weist ferner eine zweite Seite 150 auf, welche dem Gehäuse 66 zugewandt ist. Die erste Seite 148 ist abgewandt zu der zweiten Seite 150, das heißt der erste Kolben 18 in dem Gehäuse 110 und der zweite Kolben 20 in dem Gehäuse 66 sind auf unterschiedlichen Seiten bezogen auf das Querelement 142 angeordnet.
Ansonsten funktioniert der Freikolbenmotor 134 wie oben beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 5 schematisch gezeigt und dort mit 152 bezeichnet ist, ist der Aufbau grundsätzlich gleich wie bei dem Freikolbenmotor 134. Es ist wiederum ein Querelement 142 vorgesehen. Das Gehäuse 110 und das Gehäuse 66 sind dabei jedoch an der gleichen Seite 148 des Querelements 142 angeordnet. Sie sind beispielsweise direkt nebeneinander angeordnet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Freikolbenmotors, welches in 6 schematisch gezeigt und dort mit 154 bezeichnet ist, und welches eine Variante des Freikolbenmotors 122 ist, sind das Gehäuse 124 und das Gehäuse 130 in einer Querrichtung 137 zu einer Bewegungsrichtung einer entsprechenden Kolbeneinrichtung 156 versetzt zueinander angeordnet. Sie sind dabei an der gleichen Seite 158 eines Querelements 160 angeordnet.
Grundsätzlich kann ein Kompressionsraum beliebig angeordnet sein, um beispielsweise das Bauvolumen des entsprechenden Freikolbenmotors an eine Anwendung optimiert anzupassen. Ein Kolben für die Kompression von Medium im Kompressionsraum ist jedoch starr mit der Kolbeneinrichtung des Freikolbenmotors verbunden.
Beispielsweise liegt der Lineartrieb 70 zwischen dem Expansionsraum 26 und dem Rückfederraum 50 bzw. zwischen dem Expansionsraum 26 und dem Kompressionsraum 60. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der Kompressionsraum zwischen dem Expansionsraum und dem Lineartrieb liegt.
Es ist auch möglich, dass ein Gasaustausch zwischen dem Rückfederraum und einem Kompressionsraum erfolgt. Der Gasaustausch kann dabei auch innerhalb eines Gehäuses wie beispielsweise des Gehäuses 66 erfolgen und insbesondere am Kolben 20 erfolgen.
Über den Durchmesser des Kompressionsraums kann die geförderte Mediummasse eingestellt werden. Der Durchmesser kann dabei grundsätzlich unabhängig vom Durchmesser des Expansionsraums gewählt werden.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass ein Durchmesser des Rückfederraums größer ist als ein Durchmesser eines Kompressionsraums. Dadurch kann beispielsweise komprimiertes Medium aus dem Kompressionsraum dem Rückfederraum zur Bereitstellung der Rückstellkraft geliefert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Durchmesser des Kompressionsraums größer ist als der Durchmesser des Expansionsraums. Dadurch lässt sich das Ladevolumen erhöhen.
In einem Zwei-Takt-Betrieb lässt sich ein Drucklader realisieren, wobei dem mindestens einen Expansionsraum durch den mindestens einen Kompressionsraum unter Druck stehendes, komprimiertes Medium bereitgestellt wird. Die entsprechende Druckaufladung des mindestens einen Expansionsraums lässt sich gegebenenfalls auch durch einen elektrischen Lader und/oder Turbolader unterstützen.
Eine entsprechende Freikolbenmotorvorrichtung lässt sich beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs oder als Hilfsantrieb verwenden. Er lässt sich zur Stromerzeugung beispielsweise im Blockheizkraftwerk oder zur mobilen Stromerzeugung verwenden.
Bezugszeichenliste

10: Freikolbenvorrichtung
12: Freikolbenmotor
14: Kolbenaufnahme
16: Kolbeneinrichtung
18: Erster Kolben
20: Zweiter Kolben
22: Verbindungselement
24: Expansionskammer
26: Expansionsraum
28: Gehäuse
30: Erste Kolbenseite
32: Stirnseite
34: Einlassanschluss
36: Ventil
38: Steuerungs-/Regelungseinrichtung
40: Auslassanschluss
42: Ventil
44: Zündeinrichtung
46: Raum
48: Kammer
50: Rückfederraum
52: Zweite Kolbenseite
54: Stirnseite
56: Anschluss
58: Ventil
60: Kompressionsraum
62: Kolbenseite
64: Stirnwand
66: Gehäuse
68: Öffnung
70: Lineartrieb
72: Magneteinrichtung
74: Magnetelemente
76: Spuleneinrichtung
78: signalwirksame Verbindung
80: Anschlusseinrichtung
82: Erster Anschluss
84: Zweiter Anschluss
85: Federeinrichtung
86: Ventileinrichtung
88: Fluidverbindungseinrichtung
90: Druckspeichereinrichtung
92: Leitung
94: Speicherbehälter
96: Ventil
98: 3/2-Wegeventil
100: Erstes Sperrventil
102: Zweites Sperrventil
104: Ventil
106: Ventil
108: Freikolbenmotor
110: Gehäuse
112: Kompressionsraum
114: Kolbenseite
116: Stirnwand
118: Anschlusseinrichtung
120: Ventileinrichtung
122: Freikolbenmotor
124: Gehäuse
126: Zweite Kolbenseite
128: Rückfederraum
130: Gehäuse
132: Kompressionsraum
134: Freikolbenmotor
136: Kolbeneinrichtung
137: Richtung
138: Bewegungseinrichtung
140: Verbindungselement
142: Querelement
144: Verbindungselement
148: Erste Seite
150: Zweite Seite
152: Freikolbenmotor
154: Freikolbenmotor
156: Kolbeneinrichtung
158: Seite
160: Querelement

Claims

Freikolbenvorrichtung mit mindestens einem Freikolbenmotor (12; 108; 122; 134; 152; 154), umfassend mindestens eine Kolbenaufnahme (14), in welcher mindestens ein Expansionsraum (26) für die Expansion eines Arbeitsmediums gebildet ist und in welcher mindestens ein Rückfederraum (50) gebildet ist, und eine linear bewegliche Kolbeneinrichtung (16) mit mindestens einem Kolben (18; 20), wobei eine erste Kolbenseite (30) der Kolbeneinrichtung (16) den mindestens einen Expansionsraum (26) begrenzt und eine zweite Kolbenseite (52) der Kolbeneinrichtung (16) den mindestens einen Rückfederraum (50) begrenzt und wobei in dem mindestens einen Rückfederraum (50) eine Rückfedereinrichtung für die Bereitstellung einer Rückstellkraft für die Kolbeneinrichtung (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kompressionsraum (60; 112) vorgesehen ist, welcher von dem mindestens einen Expansionsraum (26) und dem mindestens einen Rückfederraum (50) getrennt ist, welcher durch mindestens einen Kolben (20; 18) der Kolbeneinrichtung (16) begrenzt ist, und in welchem mittels der Kolbeneinrichtung (16) eine Federeinrichtung und/oder ein Medium komprimierbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung ein komprimierbares Medium umfasst oder durch ein komprimierbares Medium gebildet ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Fluidverbindungseinrichtung (88), durch welche der mindestens eine Expansionsraum (26) und der mindestens eine Kompressionsraum (60) fluidwirksam verbunden oder verbindbar sind.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die Fluidverbindungseinrichtung (88) dem mindestens einen Expansionsraum komprimiertes Medium zuführbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindungseinrichtung (88) an einen Einlassanschluss (34) des mindestens einen Expansionsraums fluidwirksam angeschlossen ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kompressionsraum (60) ausgangsseitig mit einer Druckspeichereinrichtung (90) fluidwirksam verbunden ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Expansionsraum (26) eingangsseitig mit einer Druckspeichereinrichtung (90) fluidwirksam verbunden ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckspeichereinrichtung (90) ein Ventil (96) zugeordnet ist, mittels welchem zeitlich gesteuert dem mindestens einen Expansionsraum (26) komprimiertes Medium zuführbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeichereinrichtung (90) durch eine oder mehrere Leitungen (92) für Medium gebildet ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeichereinrichtung (90) mindestens einen Speicherbehälter (94) für Medium umfasst.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Kompressionsraum (60) mindestens ein erster Anschluss (82) zugeordnet ist, über den Medium einführbar ist und insbesondere Medium aus einer Medium enthaltenden Umgebung einführbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Anschluss eine steuerbare Ventileinrichtung (86) sitzt.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Kompressionsraum (60) mindestens ein zweiter Anschluss (84) zugeordnet ist, über den komprimiertes Medium abführbar ist.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Anschluss eine steuerbare Ventileinrichtung (86) angeordnet ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Gas ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Oxidator für die Verbrennung von Treibstoff in dem mindestens einen Expansionsraum (26) ist und insbesondere Luft ist.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kompressionsraum (60) bezüglich einer Volumenänderung invers zu dem mindestens einen Rückfederraum (50) angeordnet ist, wobei eine Volumenerhöhung des Rückfederraums (50) eine synchrone Volumenerniedrigung des mindestens einen Kompressionsraums (60) bewirkt und eine Volumenerniedrigung des mindestens einen Rückfederraums (50) eine synchrone Volumenerhöhung des mindestens einen Kompressionsraums (60) bewirkt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kompressionsraum (60) und der mindestens eine Rückfederraum (50) in einem gemeinsamen Gehäuse (66) oder Gehäuseteil angeordnet sind, wobei eine der zweiten Kolbenseite (52) gegenüberliegende Kolbenseite (62), welche insbesondere an dem Kolben (20) mit der zweiten Kolbenseite (52) gebildet ist, den mindestens einen Kompressionsraum (60) begrenzt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kompressionsraum (132) und der mindestens eine Rückfederraum (128) in unterschiedlichen Gehäusen (124; 130) oder Gehäuseteilen angeordnet sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Expansionsraum (26) und der mindestens eine Kompressionsraum (112) bezüglich einer Volumenänderung invers zueinander angeordnet sind, wobei eine Volumenerhöhung des mindestens einen Expansionsraum (26) eine synchrone Volumenerniedrigung des mindestens einen Kompressionsraums (112) bewirkt und eine Volumenerniedrigung des mindestens einen Expansionsraums (26) eine synchrone Volumenerhöhung des mindestens einen Kompressionsraums (112) bewirkt.
Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kompressionsraum (112) und der mindestens eine Expansionsraum (26) in einem gleichen Gehäuse (110) oder Gehäuseteil angeordnet sind, wobei eine der ersten Kolbenseite (30) gegenüberliegende Kolbenseite (114) den mindestens einen Kompressionsraum (112) begrenzt und insbesondere die erste Kolbenseite (30) und die den mindestens einen Kompressionsraum (112) begrenzende Kolbenseite (114) am gleichen Kolben (20) gebildet sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Expansionsraum (26) ein erster Kompressionsraum (112) zugeordnet ist und dem mindestens einen Rückfederraum (50) ein zweiter Kompressionsraum (60) zugeordnet ist, wobei der erste Kompressionsraum (112) und der zweite Kompressionsraum (60) getrennte Räume sind.
Freikolbenvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lineartrieb (70) mit einer an der Kolbeneinrichtung (16) angeordneten Magneteinrichtung (72) und eine Spuleneinrichtung (76), relativ zu welcher sich die Magneteinrichtung (72) bewegt.
Verfahren zum Betreiben einer Freikolbenvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiertes Medium erzeugt wird, welches dem mindestens einen Expansionsraum bereitgestellt wird und/oder die in dem mindestens einen Kompressionsraum angeordnete Federeinrichtung zum Antrieb der Kolbeneinrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen Zwei-Takt-Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung, welche dem mindestens einen Kompressionsraum zugeordnet ist, so angesteuert wird, dass der mindestens eine Kompressionsraum entweder fluidwirksam mit einer Medium enthaltenden Umgebung verbunden ist oder mit einer Druckspeichereinrichtung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stellung der Kolbeneinrichtung in einem oberen Totpunkt (OT_ex) bezogen auf den mindestens einen Expansionsraum die Ventileinrichtung so angesteuert wird, dass der mindestens eine Kompressionsraum fluidwirksam mit der Umgebung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herausbewegen der Kolbeneinrichtung aus dem oberen Totpunkt (OT_ex) Medium aus der Umgebung in den mindestens einen Kompressionsraum eingesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung in einem oberen Totpunkt (OT_r) der Kolbeneinrichtung bezogen auf den mindestens einen Rückfederraum so angesteuert wird, dass der mindestens eine Kompressionsraum fluidwirksam mit der Druckspeichereinrichtung verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herausbewegen der Kolbeneinrichtung aus dem oberen Totpunkt (OT_r) Medium komprimiert wird und der Druckspeichereinrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass komprimiertes Medium aus der Druckspeichereinrichtung dem mindestens einen Expansionsraum für einen Spülvorgang am Ende einer Expansionsphase der Kolbeneinrichtung in dem mindestens einen Expansionsraum bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch einen Vier-Takt-Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitstakt, bei dem sich die Kolbeneinrichtung aus einem oberen Totpunkt (OT_ex) bezogen auf den mindestens einen Expansionsraum herausbewegt, eine Ventileinrichtung, welche dem mindestens einen Kompressionsraum zugeordnet ist, so angesteuert wird, dass Medium aus der Umgebung in den mindestens einen Kompressionsraum eingesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ausschiebetakt, welcher auf einen Arbeitstakt folgt und bei dem sich die Kolbeneinrichtung in Richtung des oberen Totpunkts (OT_ex) bewegt, die Ventileinrichtung so angesteuert wird, dass Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiert wird und/oder die Federeinrichtung in dem mindestens einen Kompressionsraum komprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ansaugtakt, welcher auf den Ausschiebetakt folgt und bei dem Frischgas in den mindestens einen Expansionsraum einströmt, die Federeinrichtung die Kolbeneinrichtung von dem oberen Totpunkt (OT_ex) bezogen auf den Expansionsraum in Richtung des unteren Totpunkts (UT_ex) bewegt und insbesondere Medium in dem mindestens einen Kompressionsraum eine Gasfeder für die Kolbeneinrichtung bildet.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verdichtungstakt, welcher auf den Ansaugtakt folgt und bei welchem Gas in dem mindestens einen Expansionsraum verdichtet wird, die Ventileinrichtung so angesteuert wird, dass Medium aus dem mindestens einen Kompressionsraum ausströmt.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass ausströmendes komprimiertes Medium einer Druckspeichereinrichtung bereitgestellt wird.