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WO2020011790A1 - Verfahren zum betreiben eines freikolbenlineargenerators - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines freikolbenlineargenerators Download PDF

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WO2020011790A1
WO2020011790A1 PCT/EP2019/068421 EP2019068421W WO2020011790A1 WO 2020011790 A1 WO2020011790 A1 WO 2020011790A1 EP 2019068421 W EP2019068421 W EP 2019068421W WO 2020011790 A1 WO2020011790 A1 WO 2020011790A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
linear generator
rotor
combustion
combustion chamber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2019/068421
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Reber
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2020011790A1 publication Critical patent/WO2020011790A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/04—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for electric generators
    • F02B63/041—Linear electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/007—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type in which the movement in only one direction is obtained by a single acting piston motor, e.g. with actuation in the other direction by spring means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B11/00—Reciprocating-piston machines or engines without rotary main shaft, e.g. of free-piston type
    • F01B11/02—Equalising or cushioning devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
    • F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
    • H02K7/1884—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts structurally associated with free piston engines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/06—Linear motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B23/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01B23/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators

Definitions

  • the present invention relates to methods for operating a free piston linear generator (hereinafter also referred to as FKLG ⁇ ) for generating electrical energy and a FKLG.
  • FKLG ⁇ free piston linear generator
  • Known FKLG generally comprise a linear generator such as a combustion unit with a combustion chamber, the combustion unit and the linear generator being coupled to one another via at least one piston-rotor unit, which comprises a piston that has an expansion stroke of one Execute top dead center to a bottom dead center and, using a gas pressure spring, a compression stroke from bottom dead center to top dead center ⁇ .
  • a linear generator such as a combustion unit with a combustion chamber
  • the combustion unit and the linear generator being coupled to one another via at least one piston-rotor unit, which comprises a piston that has an expansion stroke of one Execute top dead center to a bottom dead center and, using a gas pressure spring, a compression stroke from bottom dead center to top dead center ⁇ .
  • the FLKG is understood as a resonant circuit in which the kinetic energy of a piston is repeatedly converted into gas pressure ⁇ , and vice versa.
  • the gas pressure can either be built up in the gas pressure spring or in the combustion chamber for compression ⁇ .
  • second-order resonant circuits see also pendulum
  • a system with these basic properties is hardly suitable for controlling and regulating the piston speeds and thus the thermal process in detail at any time or at any piston position.
  • DE 1 1 2012 000 915 T5 and DE 10 2014 001 770 Al disclose a method for operating a free-piston linear generator for generating electrical energy
  • the free-piston linear generator for at least one linear generator and at least one combustion unit with at least one combustion chamber and ⁇ and the combustion unit ⁇ and the linear generator are coupled to one another via at least one piston-rotor unit ⁇
  • the piston-rotor unit ⁇ comprising at least one rotor and at least one piston ⁇ , which extends an expansion stroke from a top dead center Execute a bottom dead center and a compression stroke from bottom dead center to top dead center, whereby after the acceleration of the at least one piston, the electrical energy extraction by the linear generator is regulated or controlled in such a way that this results in a controlled setpoint speed profile of the piston between top dead center and bottom dead center t point is reached at least in sections.
  • DE 102 19 549 A1 uses oily fuels for the lubrication of individual or all plain bearings, which are supplied to the combustion after lubrication. From DE 10 2016 109 029 A1, auto-ignition operation by compression ignition is known.
  • the present invention is based ⁇ the task of creating a method for operating an FLKG which eliminates the aforementioned problems ⁇ and which is suitable for the compression stroke from bottom dead center to top dead center without the exclusive use of a gas pressure spring or electrical energy.
  • the present invention describes ⁇ a method for operating an FLKG, which has at least one linear generator and at least one combustion unit ⁇ with at least one combustion chamber ⁇ , the combustion unit ⁇ and the linear generator being coupled to one another via at least one piston-rotor unit ⁇ , which comprises at least one piston ⁇ , which carries out an expansion stroke from TDC to TDC and a compression stroke from TDC to TDC ⁇ , whereby after the acceleration of the at least one piston, the electrical energy consumption is regulated by the linear generator in such a way that a re gulation of the speed of the piston between OT and UT is reached ..
  • the aforementioned method is characterized in that the energy for executing the compression stroke is taken from the linear generator, which energy during the expansion stroke in the linear generator is magnetically stored energy provides, the magnetically stored energy available for compression in the linear generator at UT can be supplemented by additional energy storage in the form of a gas pressure spring or electrical energy.
  • Figure 1 shows the basic structure of the FKLG according to the invention in a preferred embodiment as a single-piston system with traditional valve train in the cylinder head.
  • the partially acting gas pressure spring serves to reverse the movement of the piston or rotor. It is said to have no effect if the piston is not near UT.
  • Optional valves ensure pressure equalization and cooling when air moves through the ring-shaped air gaps at the rotor / stator and plunger / pressure chamber of the gas pressure spring;
  • FIG. 2a shows an ideal typical speed profile piston / rotor under Normlas ⁇ ; Rapid pressure reduction after ignition and maximum rapid cooling of the combustion gases are achieved by withdrawing electrical energy as late as possible in the DeAcc phase; This profile is of a theoretical nature and can usually not be implemented in practice if the electrical generator cannot extract the required amount of energy in the short period of the DeAcc phase.
  • Fig. 2b an ideal typical speed profile piston / rotor under maximum load ⁇ ; rapid pressure reduction after ignition and max. Rapid cooling of the combustion gases is achieved by withdrawing electrical energy as late as possible in the Cons ⁇ and DeAcc phases.
  • Thisnicsprolf can in practice simple U m ⁇ a backing than the profile in Fig. 2.a because the electric generator, the exception from the required amount of energy over a longer period of OT to the end of phase DeAcc can split.
  • Fig. 2c shows an ideal typical speed profile piston / rotor under partial load, this profile is also theoretical in nature and can usually not be implemented in practice if the electric linear generator can not take the required amount of energy in the short period of time of the DeAcc phase ;
  • Fig. 3 shows the basic structure of the FKLG in a further embodiment form as a two-piston system, mirror image of inlet / outlet valves on the cylinder wall;
  • Figure 4 shows the arrangement of the inlet and outlet valves in pairs on the cylinder wall with inlet and outlet channels behind it.
  • Figure 5 shows the fuel injection for FKLG operation with diesel auto-ignition at comparatively low pressures (100 to 200 bar).
  • Fig. 6 shows a combined lubrication and fuel system for FKLG operation with diesel auto-ignition at comparatively low pressures (100 to 200 bar) when using oily fuels;
  • Fig. 7 is a lubrication system for the FKLG when operating with oily fuels. Lubrication with fuels that are constantly renewed;
  • FIG. 10 shows a simulated speed profile of the piston / rotor with reluctance spring and linear energy extraction.
  • the energy consumption is proportional to the overlap of rotor and stator (max. At TDC, min. At UT) and brakes the piston to Vmin.
  • the reluctance spring brakes to a standstill of the piston and ensures ⁇ the reversal of movement;
  • the reluctance spring supplies the piston with even energy over the distance UT to OT, which is why the piston speed increases comparatively slowly after UT;
  • Figure 1 1 shows a simulated speed profile of the piston / rotor with reluctance spring and controlled energy consumption, reduced energy consumption in the area between TDC and LDC;
  • the pattern of energy consumption must be designed so that the piston speed adjusts to the maximum piston speed over the longest possible distance to TDC ⁇ .
  • the piston position can be observed using conventional methods, for example by means of light barriers.
  • the induction voltages in the stator can also be observed to estimate the piston speed
  • Fig. 12 shows a cross section through the stator and rotor with radial flow guidance and the flow distribution when rotor (in this consisting of outer and inner sleeve) sweeps over the stator ⁇ ;
  • Fig. 13 an exemplary structure of the stator and rotor (consisting of inner and outer rotor) with radial flow control, the generator and motor operation supports ⁇ .
  • the electrical machine consists of several such polar planes rotated and stacked by 60 °; 14 shows an alternative exemplary construction of the electrical machine with radial flow guidance, consisting of an inner stator and an outer rotor, which supports generator and motor operation.
  • the complete electrical machine consists of several pole planes rotated and stacked at 60 °. It is easy to see how the geometry of the stator contributes to an increase in the magnetic fluxes in the magnetically active gap;
  • stator and rotor with radial flow guidance, which supports generator and motor operation.
  • Runners in cylindrical shape, whose magnetically active surfaces border on the inner and outer stator. Simulation with permanent magnets made of ferrite, ie without using permanent magnets made from rare earths, such as neodymium;
  • Fig. 1 6 shows an electrical generator with axial flow guidance in the rotor (cross-sectional drawing).
  • the cylindrical rotor poles can be seen with soft magnetic material of different thickness.
  • the ring coils in the stator can be operated individually, in series or in parallel on the rectifier depending on the position and speed of the rotor.
  • Phase 1 Ignition and heating of the filling gas
  • the linear generator 10 should preferably be designed so that it can help the piston 120 in position after ignition near TDC or at least complicates the absorption of kinetic energy until the combustion process is completed and the maximum temperature of the combustion gas is reached. The linear generator 10 should therefore be able to absorb the maximum electrical energy, particularly near OT.
  • This design of the electric generator for maximum power development and energy consumption near TDC prevents a too fast speed rise near TDC and ⁇ ensures that the combustion is largely ⁇ completed before the piston reaches its maximum speed. It is therefore desirable and therefore particularly advantageous to have maximum folding forces for the piston 120 close to TDC until the end of the complete combustion with the aid of the generator coils in the stator 100, which for this purpose can exert particularly high holding forces on the rotor 121 by means of electromagnetic action at rotor positions near TDC. The maximum possible holding forces result from the fact that the rotor is completely submerged in the stator ⁇ at TDC.
  • Phase 2 acceleration of the piston and maximum electrical energy consumption
  • the speed profile of the piston should ideally have a shape as in FIG. 2a.
  • ideal speed profiles are established as in FIGS. 2b and 2c.
  • the linear generator 10 is preferably to be designed such that the appropriately controlled energy extraction, especially at the end of phase 2, adjusts the speed profile shown in FIG. 2b ⁇ .
  • the ideal linear generator 10 and the control 101 are designed so that with a minimum piston or rotor weight, a speed profile as in FIG. 2b is set.
  • the energy consumption at the generator correlates with the energy released in the thermal process, is at a maximum after OT and decreases towards UT.
  • the high speed of the piston which remains constant over long distances after OT, enables ⁇ a consistently high efficiency for the electrical generator and helps to minimize thermal losses.
  • stator coils in a generator with axial flow guidance are advantageously so optimized with different numbers of turns and conductor cross sections that a sufficiently high voltage is generated with a speed profile according to FIG. to be able to tap the required energy with high electrical efficiency at different or lower rotor speeds.
  • Phase 2 will therefore allow the piston 120 to accelerate as quickly as possible after the completion of the combustion, in order to slow it down towards the end of phase 2 to such an extent that it still has sufficient kinetic energy in order to reverse movement, including gas outlet and final pressure reduction ( Phase 3), gas exchange and compression (phase 4), to enable a sufficiently high compression for a safe next ignition.
  • Phase 3 gas outlet and final pressure reduction
  • phase 4 gas exchange and compression
  • Phase 3 Reversal of movement with outlet and final pressure reduction of the cooled useful gas
  • phase 3 After the end of the electrical energy extraction in phase 2, phase 3 begins. In phase 3, rotor 121 and piston 120 are to experience the reversal of their direction of movement. The piston speed when entering and exiting in phase 2 should be as equal as possible, only the direction has to be reversed.
  • the exhaust valves 124 can also be opened so that the final pressure reduction in the piston chamber is initiated ⁇ .
  • FIG. 3 A device suitable for reversing the direction of movement by means of partially acting gas pressure spring 13 is shown in FIG. 3.
  • the stamp of the gas pressure spring 13 strikes the pressure chamber 130 of the gas pressure spring 13 shortly before UT, so that the pressure required for the movement reversal builds up.
  • the play between the plunger and the pressure chamber 130 ensures that air escapes when the pressure in the gas pressure spring 13 builds up, which air is fed in again from the outside through the pressure valves. This creates an air flow in the air space of the electrical machine around the rotor, which can be used for cooling purposes.
  • the Slider 121 is only a small part of stator 100 at position UT.
  • Phase 4 renewal of the filling gas and compression
  • phase 4 the piston 120 is again on its way to TDC.
  • the inlet valves 123 must now open and fresh gas must flow in at a suitable pressure.
  • inlet 123 and outlet valves 124 close as long as piston 120 is still sufficiently white from TDC ⁇ .
  • the combustion process at OT in phase 1 can be initiated again ⁇ .
  • the present system is advantageously combined with a turbo charger including charge air cooler.
  • the turbocharger would generate the pressure required to introduce the fresh gas in phase 4.
  • the single-piston systems as in Fig. 1 generate many undesirable vibrations and shrinkages. This problem can be effectively countered with a two-piston system if both pistons 120 move in opposite directions on one axis.
  • two opposed pistons 120 are operated with a common combustion chamber (FIG. 3).
  • the common combustion chamber 1 10 offers the advantage that there is only one common “hot” end for both pistons 120 ⁇ .
  • this solution also requires that the valves for gas inlet 46a and outlet 46b be arranged on the common cylinder wall. This offers ⁇ the advantage that incoming and outgoing gases in the combustion chamber can rotate while moving, similar to a cyclone.
  • the rotational movement contributes to the quick and clean gas exchange, ensures the separation of fresh and exhaust gas and promotes rapid combustion after (auto) ignition.
  • the rotational movement of the gas masses 20 also contributes to the fact that fuel clouds introduced into the combustion chamber are concentrated in the center of rotation with droplets of different sizes, predominantly larger droplets being deposited on the walls of the combustion chamber and thus producing fewer pollutants, soot and fine dust.
  • the rotational speed of the gas masses 20 can be increased if the gas masses 20 are brought into a space with a smaller diameter.
  • the shape of the inflow and outflow channels behind the valves 123, 124 (see FIG. 4) generate the desired rotating air masses during gas exchange.
  • the shape of the piston 120 (for example with a depression in the middle) accelerates the rotation of the air masses as part of the compression. Venfilan firing with a Blafffeder / Venfilefä Trent around the cylinder
  • the ring-shaped arrangement of the inlet 123 and outlet valves 124 according to FIG. 4 enables a particularly effective form of venfil attachment by means of a circumferential leaf spring 14.
  • the movable and circumferential leaf spring 14 is mounted on a guide ring 140 ⁇ and press ⁇ the valve after closing in the seat.
  • a guide roller 141 is attached to the Venfilsfäßel ⁇ over the leaf spring 14 ⁇ , so that the contact pressure do not assemble until the valve has already reached its position in the valve seat ⁇ .
  • a second guide roller 142 is mounted on the Venfilsfäßel under the leaf spring 14, so that the moving leaf spring 14 can push the valve into the combustion chamber to open it. This happens ⁇ with the sliding leaf spring 14 without great effort.
  • the distance between the upper and lower guide rollers 141 is constant and the thickness of the leaf spring 14 is designed so that it can move in any position without play between the guide rollers 141.
  • the circumferential leaf springs 14 are mounted on a guide ring ⁇ , which is also responsible for the propulsion.
  • the guide ring is broken into the desired position using a gear and stepper motor ⁇ .
  • two circumferential leaf springs 14 with guide rollers 141 on the right and left of the Venfilsficideels are required ⁇ . These two rotating leaf springs 14 can be moved in the same or opposite directions. If the lower guide roller 141 for inlet 123 and outlet valves 124 is only attached to a soap of the Venfilsfössel, one of the two circumferential leaf springs 14 (e.g. the upper) can open the inlet valve 123 and the other (e.g.
  • both leaf springs 14 press all valves 123, 124 back into their seats with both upper guide rollers.
  • the actuation of the valves 123, 124 by means of rotating blade springs 14 also has the advantage that the temperature-dependent length variation of the Venfil tappet is automatically compensated ⁇ . Maintenance-intensive work such as adjusting the valve clearance or complex solutions such as tappets are avoided.
  • the leaf spring combines ⁇ the function of valve spring and valve control. Implementations with valve springs / spiral springs per valve are also conceivable and rotating control element ⁇ ("rotating camshaft”) which presses on the valve stem by means of protuberances / cams in the rotating ring to open the valve ⁇ .
  • the fuel system operation with compression ignition
  • the fuel system is described below (Fig. 5).
  • the fuel pump ⁇ brings the fuel to a comparatively low pressure of 100 to 200 bar (depending on the fuel).
  • the fuel prepared in this way is cooled and injected by direct injection into the combustion chamber of the combustion chamber 110 as soon as the inlet valves 123 are closed.
  • the fuel after injection as an atomized fuel cloud, mainly collects in the center of rotation of the gas masses 20 before it evaporates when the pressure rises further. Larger droplets of fuel condense on the cylinder wall.
  • the evaporation energy of the fuel is also used to cool the fresh gas already in the combustion chamber as far as possible.
  • the FKLG comes with only two plain bearings (Fig. 1 and Fig. 3).
  • plain bearing 1, GL1 In addition to the piston rings (plain bearing 1, GL1), another plain bearing (GL2) is required for the push rod 125 ⁇ , which is connected on one side to the piston 120 and on the other side to the rotor 121 of the electrical system.
  • lubricant is applied to surfaces sliding against each other, especially on the running surfaces of the piston rings and on the push rod 125. Since the arrangement ⁇ does not make any special demands on the absorption of lateral forces ⁇ , it is not necessary to use high-quality lubricating oil ⁇ . In addition, oily fuel can be used, the lubricating properties (viscosity) of which already ensure safe and wear-free operation for sufficient lubrication.
  • lubricate the valves and the associated mechanical components with oily fuels.
  • the arrangement becomes maintenance-free if the fuel which has been brought in for lubrication is supplied at regular intervals or continuously for combustion.
  • Fig. 7 shows a branch that feeds the fuel after passing through the filter unit of the injection pump, and thus the combustion ⁇ .
  • the arrangement (Fig. 6 and Fig. 7) does not need to be treated separately and partly problematic for the environment lubricating oils. Used lubricating oils do not have to be exchanged ⁇ or disposed of at great expense.
  • an embodiment according to FIG. 8 is suitable for the lubrication.
  • a key component of the invention is the electrical machine, which is given by the push rod 125 under the piston 120.
  • the push rod is connected to the rotor 121 of the machine.
  • thermal insulation is provided (e.g. ceramic disc 126, thermal conductivity ceramic porcelain: typically 1.5 W / (mK), various thermal conductivity aluminum: typically 235 W / ( mK)) inserted.
  • the rotor 121 itself contains no permanent magnets and in the simplest case the cylindrical rotor structure consists of soft magnetic iron (sheet package made of electrical sheets) without further structuring.
  • the piston movement pushes the cylindrical rotor 121 (designs as single or double cylinders are possible) over the likewise cylindrical stator 100, so that a magnetically active gap 122 arises between the rotor and stator surfaces ⁇ .
  • rotor 121 and stator 100 are completely pushed over one another, and the surfaces of rotor 121 and stator 100 at gap 122 are completely coincide with maximum area.
  • the rotor and stator surfaces preferably overlap only minimally.
  • the rotor 121 Since the stator has 100 permanent magnets ⁇ , which flow the gap 122 with a magnetic field (axial and / or radial) in the de-energized state, the rotor 121 will always experience a force towards TDC if the overlap is not complete.
  • This reluctance force is only dependent on the gap width, the gap length (circumference) and the amount of the additional magnetic field built up in it with progressive coverage of the stator and rotor surfaces. In the present arrangement, this reluctance force is used to move the rotor 121 without current from the UT position to the OT position and to apply the necessary compression work in the process.
  • the “reluctance spring” constructed in this way can reverse the movement without the support of a gas pressure spring 13.
  • the piston 121 In the work cycle with the piston movement from TDC to TDC, the piston 121 must also work against the reluctance force in a construction according to FIG. 1 or FIG. 3. Reluctance force and the withdrawal of electrical energy during the work cycle lead to the piston 120 and rotor 121 being completely braked at UT, and a new compression cycle can be started.
  • the reluctance force is used in the present invention in order to partially or completely replace the function of the gas pressure spring 13 which is normally used in an FKLG.
  • An FKLG which can do without gas pressure springs 13 for the piston return by using reluctance forces of the electrical machine, is intended here as a reluctance-free-piston linear generator (R-FKLG) denote ⁇ .
  • R-FKLG reluctance-free-piston linear generator
  • FIG. 10 and 11 show simulated speed profiles of the piston 120 of an R-FKLG 1 as a function of the profile of the electrical energy extraction.
  • FIG. 11 shows that the piston speed can be kept approximately at Vmax over long distances by skillful electrical energy extraction from the linear generator 10.
  • the rotor 121 is a cylinder made of soft magnetic materials (e.g. electrical sheets). In particular, it contains neither coils / conductor loops nor permanent magnets.
  • the stator 100 with radial flux guidance preferably contains disk-shaped, rectangular permanent magnets (PM) 1001 in a star-shaped arrangement in order to flood the iron pacts between the permanent magnets 1001 with a magnetic field strength.
  • the permanent magnets te 1001 are surrounded tangentially to the magnetic flux direction to the side of the magnetic gap with coil packets (see FIG. 12).
  • the pole faces of the permanent magnets 1001 emit the magnetic flux of the PMs 1001 into the iron pacts of the stator 100.
  • the iron packets between the PMs 1001 collect the magnetic flux, so that even weak PMs on the pole faces of the stator 100 can generate large magnetic fluxes if the PMs 1001 are only long enough (or the stator is thick enough).
  • the stator geometry thus bundles the magnetic fluxes of the PMs 1001 in order to generate high magnetic fluxes in the magnetic gap 122.
  • FIG. 12 also shows how a radial magnetic flux is formed around the coils 1000 ⁇ , provided that the rotor sweeps over the stator 100 ⁇ . If piston 120 is moved from OT to UT ⁇ , the swept area of stator 100 and rotor 121 decreases and the magnetic fields exposed to the coil conductors decrease. The coil conductors answer ⁇ with an induction current so that electrical power can be drawn in the work cycle.
  • the field lines in the external rotor are particularly strong in the vicinity of the coil conductors. It is therefore advisable to increase the rotor thickness at these points and to reduce the thickness of the rotor 121 between the coil conductors. This creates a weight-optimized runner 121 that promises higher performance and lower power loss.
  • stator 100 and rotor 121 are at a maximum overlap of the rotor 121 and stator 100 in the 122 gap and tend towards zero with little overlap (only leakage flux).
  • the magnetic fluxes change their amount in this arrangement, but not their polarity. In rotor 121 and stator 100 there are therefore no complete re-magnetizations during rotor movements, so that a high efficiency of the linear generator 10 can be expected ⁇ .
  • a stator 100 as described above can convert the power provided by the thermal process in an efficient manner as electrical energy, but it cannot start the R-FKLG 1 without auxiliary means, because no motor operation is possible with this arrangement, which could pull the rotor 121 and thus the piston 120 to the UT position.
  • the piston 121 In the case of a star ⁇ with aids, the piston 121 must be pushed into the UT position and then released. This can be done, for example, with mechanical tie rods and servo motors.
  • Another way to start is by filling the combustion chamber 1 10 with compressed air until the piston 120 has reached the UT position. The compressed air can either be generated and fed externally. Alternatively, a turbocharger can be used for this, which is equipped with an electric drive for the paddle wheels ⁇ a ⁇ e ⁇ .
  • the linear generator 10 can start the R-FKLG 1 without external help ⁇
  • the structure of the electrical machine must be adjusted ⁇ .
  • a structure consisting of several pole planes as in FIG. 13 with alternating magnetic polarities offers itself.
  • a stator 100 layered in this way can generate an axial force which is greater than the reluctance force ⁇ which also acts in the longitudinal direction. It is thus possible to catapult the piston 120 or rotor 121 for starting the R-FKLG 1 into the UT position by means of motor operation of the linear generator 10.
  • a disadvantage of this multilayer stator and rotor structure is that the rotor 121 must be structured into individual pole faces (see FIGS. 13 and 14).
  • the resulting pole faces of rotor 121 made of soft magnetic rotor materials must be completely magnetized several times when they are swept over stator 100. Therefore, lower efficiency levels in generator operation must be expected.
  • FIG. 14 Of particular interest in FIG. 14 is an arrangement with an inner and outer stator and the rotor 121 between the two stator modules.
  • two magnetically active air gaps 122 arise on the inner and outer surfaces of the rotor 121. Radial forces acting on rotor 121 can be minimized by this arrangement. The reluctance forces acting on the rotor also benefit from the two magnetically active air gaps 122.
  • Fig. 1 6 shows an electrical generator with axial flow guidance in the rotor. You can see the cylindrical rotor poles with soft magnetic material of different thickness (transformer or electrical sheet). The thickness of the rotor poles is selected so that a homogeneous flux density in the rotor poles is achieved with a minimal rotor weight ⁇ . 16 shows a configuration with 3 ring coils in the stator. At OT, for example, these can be connected and operated individually or in parallel on the rectifier. If the rotor speed slows down before UT is reached, the series connection of the coils that are still swept by the rotor is suitable for operation with the rectifier. This ensures that the electrical generator can be operated with optimum efficiency depending on the rotor speed.
  • FIG. 17 illustrates ⁇ the control electronics of a single stator coil.
  • a global controller (control logic) takes over the control of all stator coils 1000 at the same time, whereby not all coils 1000 always have to be controlled.
  • Electrical energy from the line generator 10 is temporarily stored in a battery. Energy from this battery can be used to start the FKLG 1.
  • the generator controller is designed, for example, as a switchable bridge rectifier (FIG. 18).
  • the rectifier is switched on or off with the signal “CNT” and the rotor is thus braked by drawing energy.
  • the switch-on cycles there are different possibilities for the switch-on cycles in order to control the energy consumption for the desired speed profile of the rotor 121.
  • the motor voltage Vsup can be applied to the stator coil 1000 using the control signals Cntl and Cn ⁇ 2 with both polarities.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Freikolbenlineargenerator (1) mindestens einen Lineargenerator (10) sowie mindestens eine Verbrennungseinheit (11) mit mindestens einer Brennkammer (110) aufweist und die Verbrennungseinheit (11) und der Lineargenerator (10) über zumindest eine Kolben-Läufer-Einheit (12) miteinander verkoppelt sind, wobei die Kolben-Läufer-Einheit (12) mindestens einen Läufer (121) sowie mindestens einen Kolben (120) umfasst, der einen Expansionshub von einem oberen Totpunkt (OT) zu einem unteren Totpunkt (UT) und einen Kompressionshub vom unteren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) ausführt, wobei nach der Beschleunigung des mindestens einen Kolbens (120) die elektrische Energieentnahme durch den Lineargenerator (10) in der Weise geregelt oder gesteuert wird, dass hierdurch ein kontrollierter Sollgeschwindigkeitsverlauf des Kolbens (120) zwischen OT und UT mindestens abschnittsweise erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Ausführung des Kompressionshubs dem Lineargenerator (10) entnommen wird, der diese Energie während des Expansionshubs im Lineargenerator (10) als magnetisch gespeicherte Energie bereitstellt.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
[0001 ] Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators (nachstehend auch als FKLG bezeichne†) zur Erzeugung elektrischer Energie sowie einen FKLG.
Stand der Technik
[0002] Für die elektrische Energieerzeugung auf Basis chemischer Pri märenergie - z.B. in Form fossiler oder erneuerbarer Energieträger wie Kohle, Erdöl (Diesel, Benzin), Erdgas, Biogas oder Pflanzenöl - biete† der Stand der Technik unterschiedlichste Lösungsansätze. Die meisten dieser Lösungsansätze nutzen die Primärenergie, um mit hülfe eines Motors oder einer Turbine ein Drehmoment zu erzeugen, welches die Welle eines ro tierenden Generators antreib†. Derart rotierende Maschinen sind sei† Jah ren im Einsatz, und trotzt ausgereifter Technologie wird selten ein Wir kungsgrad über 40% für die Konversion chemischer Primärenergie in e- lektrische Energie erziel†. Der Bedarf von effizienteren Energiewandlern für mobile Systeme führt nun zu neuen Ansätzen, welche die Primärenergie ohne den Umweg über die Rotationsenergie einer sich drehenden Welle direkt in elektrische Energie überführen.
[0003] Auch moderne Ansätze für FKLG gehen teilweise auf bekannte Technologien für Freikolbenmaschinen aus den 1920er Jahren zurück und kombinieren eine Wärmekraftmaschine mit innerer oder äußerer Wärme zufuhr sowie eine Arbeitsmaschine (Pumpe, Verdichter, Generator). Cha rakteristisch ist die direkte, triebwerklose Übertragung der zyklischen Be wegung des Kolbens der Wärmekraftmaschine auf den Arbeitsteil; da- durch entfallen jegliche mechanischen Triebwerke, wie zum Beispiel ein Kurbeltrieb. Die Leistung wird meist nicht auf mechanischem Weg abge geben. Freikolbenmaschinen lassen sich einfach (wenig bewegte Teile) und kompakt bauen und haben ein hohes Leistungs-Gewichfs-Verhältnis. Derartige Maschinen wurden unter anderem von Junkers, SIGMA und Sulzer in Serie gefertigt.
[0004] Bekannte FKLG umfassen in der Regel einen Lineargenerator so wie eine Verbrennungseinheit mit einer Brennkammer, wobei die Verbrennungseinheit und der Lineargenerator über zumindest eine Kol- ben-Läufer-Einheit miteinander verkoppelt sind, die einen Kolben um fasst, der einen Expansionshub von einem oberen Totpunkt zu einem un teren Totpunkt und unter Verwendung einer Gasdruckfeder einen Kom pressionshub vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt ausführ†.
[0005] Bei der weiteren bekannten Umsetzung eines FKLG werden elekt romagnetisch gesteuerte Auslassventile verwendet. Der Energiebedarf elektromagnetischer Ventilsteuerungen ist aber nicht unerheblich. Ande re, aus dem konventionellen Motorenbau bekannte Mechanismen zur Ventilbetätigung bieten sich beim FKLG nicht an, weil es keine rotieren den Teile gibt, die eine Steuerkette oder Nockenwelle betätigen könn ten. Konventionelle Lösungen für die Ventilbetätigung haben zudem den Nachteil, dass bei Öffnung die Ventile immer gegen den Druck der Ven tilfeder in den Brennraum geschoben werden, so dass Reibungsverluste entstehen.
[0006] Die Umsetzungen von FKLG als Zweitaktmotor mit Gasein- oder - auslass an der Zylinderwand der Wärmekrafteinheit haben den Nachteil, dass zum einen für die Schmierung des Kolbens besondere Vorkehrun gen getroffen werden müssen (wie beispielsweise keramikbeschichtete Kolbenringe oder die Verwendung von einem mit Öl angereicherten Benzin-Luft-Gemisch). Zum anderen werden schlechte Abgaswerte in Kauf genommen, wenn sich Schmieröl am Gasein- oder -auslass lös† und vor oder nach der Verbrennung in den Abgasstrang gelang†.
[0007] Darüber hinaus existieren Arbeiten, die über einen Einfluss auf Ab- gascharakterisfiken und Wirkungsgrad berichten, sofern mittels elektri scher Energieabnahme eine periodische Kolbenbewegung angestreb† wird, welche von der sinusförmigen Linearbewegung des Kolbens ab weich† (also Oberwellen zur Grundschwingung aufgepräg† werden). Al lerdings gehen diese Arbeiten nicht darauf ein, wie ein Geschwindig keitsprofil des Kolbens für einen maximalen Wirkungsgrad aussehen soll.
[0008] Allen vorliegenden Realisierungen ist gemein, dass der FLKG als Schwingkreis verstanden wird, bei dem die kinetische Energie eines Kol bens immer wieder in Gasdruck überführ† wird, und umgekehrt. Der Gas druck kann dabei entweder in der Gasdruckfeder, oder im Brennraum für die Kompression aufgebau† werden. Wie bei Schwingkreisen zweiter Ordnung zu erwarten (vgl. auch Pendel) ergeben sich sinusförmige Ver läufe zwischen den beiden ineinander übergehenden Energieformen. Ein System mit diesen Grundeigenschaften ist kaum dazu geeignet, die Kolbengeschwindigkeiten und damit den thermischen Prozess zu jedem beliebigen Zeitpunkt, oder bei jeder beliebigen Kolbenposition im Detail zu steuern und zu regeln. Diese Systeme bleiben daher jeweils deutlich unter den theoretisch möglichen thermischen und elektrischen Wir kungsgraden.
[0009] Wenn der FKLG als Schwingkreis aufgebau† wird, kommen bei den vorliegenden Arbeiten abgedichtete Gasdruckfedern zum Einsatz. Diese beeinflussen nicht nur das Geschwindigkeitsprofil des Kolbens, son dern tragen zusätzlich zu Verlusten bei, sind wartungsanfällig und führen zu komplexen Systemaufbauten. Der vorliegende Stand der Technik führt, wie vorgängig dargeleg†, nicht zu Lösungen mit höchstem Wir kungsgrad und biete† sich wegen komplexer Lösungen, schlechten Ab- gaswerten oder ungenügender Robustheit nicht für die Serienfertigung an.
[0010] Aus der DE 1 1 2012 000 915 T5 sowie der DE 10 2014 001 770 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerafors zur Erzeu gung elektrischer Energie bekannt, wobei der Freikolbenlineargenerafor mindestens einen Lineargenerafor sowie mindestens eine Verbrennungs- einheif mit mindestens einer Brennkammer aufweis† und die Verbren- nungseinhei† und der Lineargenerator über zumindest eine Kolben- Läufer-Einhei† miteinander verkoppelt sind, wobei die Kolben-Läufer- Einhei† mindestens einen Läufer sowie mindestens einen Kolben umfass†, der einen Expansionshub von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt und einen Kompressionshub vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt ausführ†, wobei nach der Beschleunigung des mindestens einen Kolbens die elektrische Energieentnahme durch den Lineargenerator in der Weise geregelt oder gesteuert wird, dass hierdurch ein kontrollierter Sollgeschwindigkeitsverlauf des Kolbens zwischen oberem Totpunkt und unterem Totpunkt mindestens abschnittsweise erreicht wird.
[001 1 ] Der DLR Forschungsberich† 2007-15; Freikolbengenerator, Sven-Erik Pohl zeig† verschiede Kräfteprofile, die am Kolben einwirken und ein typi sches Geschwindigkeitsprofil eines Kolbens für einen Freikolbengenera tor, wobei die Kolbengeschwindigkei† beim De-Kompressionszyklus in ei nem kleineren Bereich annähernd gleich ist (kurzer horizontaler Verlauf, ohne dass dieser kurze horizontale Geschwindigkeitsverlauf auf die Wir kung einer Regelung der Geschwindigkeit zurückzuführen ist, welche nach jeder Zündung das aktuelle Geschwindigkeitsprofil einem Soll- Geschwindigkeitsprofil angleich†).
[0012] In der DE 102 19 549 Al werden zur Schmierung einzelner oder al ler Gleitlager ölige Treibstoffe verwende†, die nach Schmierung der Verbrennung zugeführt werden. [0013] Aus der DE 10 2016 109 029 Al ist ein Selbstzündungsbetrieb durch eine Kompressionszündung bekannt.
Darstellung der Erfindung
[0014] Der vorliegenden Erfindung lieg† die Aufgabe zu Grunde, ein Ver fahren zum Betreiben eines FLKG zu schaffen, welches die vorgenannten Probleme ausräum† und welches geeignet ist, den Kompressionshub vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt ohne die ausschließliche Ver wendung einer Gasdruckfeder oder elektrischer Energie zu erreichen.
[0015] Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Unteran sprüchen angegeben.
[0016] Die vorliegend Erfindung beschreib† ein Verfahren zum Betreiben eines FLKG, der mindestens einen Lineargenerator sowie mindestens eine Verbrennungseinhei† mit mindestens einer Brennkammer aufweis†, wobei die Verbrennungseinhei† und der Lineargenerator über zumindest eine Kolben-Läufer-Einhei† miteinander verkoppelt sind, die mindestens einen Kolben umfass†, der einen Expansionshub von OT zu UT und einen Kom pressionshub vom UT zum OT ausführ†, wobei nach der Beschleunigung des mindestens einen Kolbens die elektrische Energieentnahme durch den Lineargenerator in der Weise geregelt wird, dass hierdurch eine Re gulierung der Geschwindigkeit des Kolbens zwischen OT und UT erreicht wird..
[0017] Erfindungsgemäß ist das vorgenannte Verfahren dadurch ge kennzeichnet, dass die Energie zur Ausführung des Kompressionshubs dem Lineargenerator entnommen wird, der diese Energie während des Expansionshubs im Lineargenerator als magnetisch gespeicherte Energie bereitstellt, wobei die für die Kompression im Lineargenerafor zur Verfü gung stehende magnetisch gespeicherte Energie bei UT durch zusätzli che Energiespeicher in Form einer Gasdruckfeder oder elektrischer Ener gie ergänzt werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0018] Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines erfindungsgemäßen FKLG ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Aus führungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschrie benen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebi ger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
[0019] In den Zeichnungen zeigen
[0020] Fig. 1 den Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen FKLG in einer bevorzugten Ausführungsform als Einkolbensysfem mit traditionellem Ventiltrieb im Zylinderkopf; die partiell wirkende Gasdruckfeder dient der Bewegungsumkehr von Kolben bzw. Läufer. Sie soll keine Wirkung haben, wenn der Kolben sich nicht in der Nähe von UT befindet. Optionale Ven tile sorgen für Druckausgleich und Kühlung, wenn sich Luft durch die ring förmigen Luftspalte bei Läufer/Stator und Stempel/Druckkammer der Gasdruckfeder bewegt;
[0021 ] Fig. 2a ein idealtypisches Geschwindigkeitsprofil Kolben/Läufer unter Normlas†; schneller Druckabbau nach Zündung und maximal schnelle Abkühlung der Verbrennungsgase werden durch möglichst spä te Entnahme elektrischer Energie in der Phase DeAcc erreicht; Dieses Profil ist theoretischer Natur und lässt sich in der Praxis meist nicht umsetz ten, wenn der elektrische Generator die geforderte Energiemenge nicht in der kurzen Zeitspanne der Phase DeAcc entnehmen kann. [0022] Fig. 2b ein idealtypisches Geschwindigkeitsprofil Kolben/Läufer unter Maximallas†; schneller Druckabbau nach Zündung und max. schnelle Abkühlung der Verbrennungsgase werden durch möglichst spä te Entnahme elektrischer Energie in den Phase Cons† und DeAcc er reicht. Dieses Geschwindigkeitsprolf lässt sich in der Praxis einfacher U m¬ setzern als das Profil in Fig. 2.a, weil der elektrische Generator die Ab nahme der geforderte Energiemenge über eine längere Zeitspanne von OT bis zum Ende der Phase DeAcc aufteilen kann.
[0023] Fig. 2c ein idealtypisches Geschwindigkeitsprofil Kolben/Läufer unter Teillast, wobei dieses Profil ebenfalls theoretischer Natur ist und sich in der Praxis meist nicht umsetzten lässt, wenn der elektrische Lineargene rator die geforderte Energiemenge nicht in der kurzen Zeitspanne der Phase DeAcc entnehmen kann;
[0024] Fig. 3 den Prinzipaufbau des FKLG in einer weiteren Ausführungs form als Zweikolbensystem, spiegelbildlich Ein-/Auslassventile an der Zy linderwand;
[0025] Fig. 4 die Anordnung der Ein- und Auslassventile paarweise an der Zylinderwand mit dahinter liegenden Ein- und Ausströmkanälen;
[0026] Fig. 5 die Treibstoffeinspritzung für den FKLG-Betrieb mit Diesel- Selbstzündung bei vergleichsweise niedrigen Drücken (100 bis 200 bar);
[0027] Fig. 6 ein kombiniertes Schmier- und Treibstoffsystem für den FKLG Betrieb mit Diesel-Selbstzündung bei vergleichsweise niedrigen Drücken (100 bis 200 bar) bei Verwendung öliger Treibstoffe;
[0028] Fig. 7 ein Schmiersystem für den FKLG bei Betrieb mit öligen Treib stoffen. Schmierung mit Treibstoffen, die laufend erneuert werden;
[0029] Fig. 8 ein Schmiersystem für den FKLG bei Betrieb mit flüchtigen Treibstoffen; [0030] Fig. 9 einen Reluktanz-FKLG mit elektrischem Lineargenerator, welcher die Kolbenrückführung mittels Relukfanzkraft bewerkstelligt; nur an der Kolbenrückwand existier† in dieser Ausführung eine parasitär wir kende Gasdruckfeder;
[0031 ] Fig. 10 ein simuliertes Geschwindigkeitsprofil des Kolbens/Läufers mit Reluktanzfeder und linearer Energieentnahme. Die Energieentnahme ist hier proportional zur Überdeckung von Läufer und Stator (max. bei OT, min. bei UT) und bremst den Kolben bis Vmin ab. Die Reluktanzfeder bremst bis zum Stillstand des Kolbens ab und sorg† für die Bewegungsum kehr; über die Wegstrecke UT bis OT führ† die Reluktanzfeder dem Kolben gleichmäßig Energie zu, weshalb die Kolbengeschwindigkeit nach UT vergleichsweise langsam ansteig†;
[0032] Fig. 1 1 ein simuliertes Geschwindigkeitsprofil des Kolbens/Läufers mit Reluktanzfeder und gesteuerter Energieentnahme, reduzierte Ener gieentnahme im Bereich zwischen OT und UT; Für einen optimalen elektri schen Wirkungsgrad ist das Muster der Energieentnahme ist so zu gestal ten, dass sich die Kolbengeschwindigkeit über möglichst lange Wegstre cken nach OT auf die maximale Kolbengeschwindigkeit einregel†. Zur Messung bzw. Regelung der Kolbengeschwindigkeit kann die Kolbenpo sition mit üblichen Verfahren wie beispielsweise mittels Lichtschschankten beobachtet werden, Auch eine Beobachtung der Indutkionsspannun- gen im Stator ist für die Abschätzung der Kolbengeschwindigeit möglich
[0033] Fig. 12 einen Querschnitt durch Stator und Läufer mit radialer Flussführung sowie die Flussverteilung, wenn Läufer (in diesem bestehend aus Außen- und Innenhülse) den Stator überstreich†;
[0034] Fig. 13 einen exemplarischen Aufbau von Stator und Läufer (be stehend aus Innen- und Außenläufer) mit radialer Flussführung, der Gene rator- und Motorbetrieb unterstütz†. Die elektrische Maschine besteh† aus mehreren, um 60° gedrehten und gestapelten solcher Polebenen; [0035] Fig. 14 einen alternativen exemplarischen Aufbau der elektrischen Maschine mit radialer Flussführung, bestehend aus Innenstator und ei nem Außenläufer, die Generator- und Motorbetrieb unterstützt. Die voll ständige elektrische Maschine besteht aus mehreren, um 60° gedrehten und gestapelten solcher Polebenen. Es ist gut erkennbar, wie die Geo metrie des Stators zur einer Verstärkung der magnetischen Flüsse im magnetisch wirksamen Spalt beiträgt;
[0036] Fig. 15 einen alternativen Aufbau von Stator und Läufer mit radia ler Flussführung, der Generator- und Motorbetrieb unterstützt. Läufer in Zy linderform, dessen magnetisch aktive Flächen an Innen- und Außenstator grenzen. Simulation mit Permanentmagneten aus Ferrit, also ohne Ver wendung von Permanentmagneten aus Seltenen Erden wie beispielswei se Neodym;
[0037] Fig 1 6 einen elektrischen Generator mit axialer Flussführung im Läufer (Querschnittszeichnung). Erkennbar sind die zylinderförmigen Läu ferpole mit unterschiedlich dick ausgeführtem weichmagnetischem Ma terial. Die Ringspulen im Stator können in Abhängigkeit von Position und Geschwindigkeit des Läufers einzeln, in Serien- oder in Parallelschaltung am Gleichrichter betrieben werden.
[0038] Fig. 17 eine Elektronik zur Ansteuerung einzelner Spulen im Stator des FKLG;
[0039] Fig. 18 eine Generatorelektronik, Realisierung mit Thyristoren;
[0040] Fig. 19 eine Motorelektronik, Realisierung mit einer Vollbrücke aus IGBT.
Ausführung der Erfindung
[0041 ] Das in den Figurenzeichnungen aufgezeigfe und nachstehend näher beschriebene Verfahren zum Betreiben des FKLG soll nicht als Schwingsystem 2. Ordnung verstanden werden, bei dem in Resonanz die zwei Energieformen ineinander übergehen. Vielmehr laufen in der An ordnung gemäß den Fign. 1 und 2 sequentielle und voneinander weit gehend unabhängige Arbeifsphasen ab, die im Nachstehenden näher beschrieben werden. Die Effizienz des FKLG hängt maßgeblich davon ab, ob es gelingt, die einzelnen Phasen idealfypisch umzusefzen. Nur so kann die mit dem Treibstoff zugeführte Energie mit maximalem Wirkungs grad in elektrische Energie umgesefzt werden.
Phase 1 : Zündung und Aufheizen des Füllgases
[0042] Um die in den Brenngasen gespeicherte Energie möglichst ohne Verluste in die Bewegungsenergie des Kolbens 120 zu überführen, muss es nach der Zündung bei OT zu einem möglichst schnellen und impulsar tigen Temperaturanstieg kommen. Druck und Temperafuraufbau müssen also in unmittelbarer Nähe von OT passieren. Erst wenn die Verbren nungsvorgänge nach OT im Wesentlichen abgeschlossen sind, sollfer der Kolben die in der Verbrennung frei werdende thermische Energie in Be wegungsenergie überführen. Verbrennungsvorgänge, während sich der Kolben 120 von OT entfernt, sollen vermieden werden. Daher sollte der Lineargenerafor 10 vorzugsweise so ausgelegf werden, dass er den Kol ben 120 nach Zündung nahe OT in seiner Position halfen kann oder we nigstens die Aufnahme kinetischer Energie erschwert, bis der Verbren nungsvorgang abgeschlossen und die Maximalfemperafur des Brennga ses erreicht ist. Der Lineargenerafor 10 sollte also insbesondere nahe OT die maximale elektrische Energie aufnehmen können. Diese Auslegung des elektrischen Generators für maximale Kraffentwicklung und Energie abnahme nahe OT verhindert einen zu schnellen Geschwindigkeifsan- sfieg nahe OT und stell† sicher, dass die Verbrennung weitestgehends† abgeschlossen ist, bevor der Kolben seine Maximalgeschwindigkei† er reicht. Wünschenswert und damit besonders vorteilhaft sind daher ma ximale Flaltekräfte für den Kolben 120 nahe OT bis zum Abschluss der kompletten Verbrennung mit hülfe der Generatorspulen im Stator 100, welche zu diesem Zwecke mittels elektromagnetischer Wirkung bei Läu ferpositionen nahe OT besonders hohe Haltekräfte auf den Läufer 121 ausüben können. Maximal mögliche Haltekräfte ergeben sich aus der Tatsache, dass der Läufer bei OT vollständig in den Stator einfauch† ist.
Phase 2: Beschleunigung des Kolbens und maximale elektrischen Energieentnahme
[0043] Nach Abschluss der Verbrennung des Kolbens 120 ist es wichtig, dass der Kolben 120 möglichst schnell eine maximale Geschwindigkeit erreich†, um die heißen Brenngase mittels Expansion schnell abzukühlen. Die schnelle Expansion trägt zur Minimierung thermischer Verluste bei. Zu diesem Zweck sollte das Geschwindigkeitsprofil des Kolbens idealerweise eine Gestalt wie in Fig. 2a aufweisen. Bei Voll- oder Teillast stellen sich i- deale Geschwindigkeitsprofile wie in Fig. 2b und Fig. 2c ein. Für maxima len Wirkungsgrad - elektrisch und thermisch - ist der Lineargenerator 10 vorzugsweise so auszulegen, dass sich mittels passend gesteuerter Ener gieentnahme, besonders am Ende von Phase 2, das in Fig. 2b dargestell te Geschwindigkeitsprofil einstell†. In der Praxis sind der ideale Linearge nerator 10 und die Steuerung 101 so ausgelegt, dass bei minimalem Kol ben- bzw. Läufergewich† sich ein Geschwindigkeitsprofil wie in Fig 2b ein stell†. Die Energieentnahme am Generator korrelier† dabei mit der im thermischen Prozess frei werdenden Energie, ist bei nach OT maximal und zu UT hin abnehmend. Die nach OT über weite Strecken gleich blei bend hohe Geschwindigkeit des Kolbens ermöglich† eine gleichbleibend hohe Effizienz für den elektrischen Generator und hilf† thermische Verluste zu minimieren.
[0044] Die Statorspulen bei einem Generator mit axialer Flussführung sind vorteilhafterweise mit unterschiedlichen Windungszahlen und Leiterquer schnitten so optimier†, dass bei einem Geschwindigkeitsprofil gemäß Fig. 2b eine genügend hohe Spannung generier† wird, um auch bei unter- schiedlichen bzw. kleineren Läufergeschwindigkeiten noch die erforder liche Energie mit hohem elektrischen Wirkungsgrad abgreifen zu können.
[0045] Die Phase 2 wird also nach Abschluss der Verbrennung die mög lichst schnelle Beschleunigung des Kolbens 120 zulassen, um ihn gegen Ende der Phase 2 soweit abzubremsen, dass er noch ausreichend kineti sche Energie besitzt, um nach Bewegungsumkehr inklusive Gasauslass und finalem Druckabbau (Phase 3), Gasaustausch und Kompression (Phase 4), eine genügend hohe Kompression für eine sichere, nächste Zündung zu ermöglichen.
Phase 3: Bewegungsumkehr mit Auslass und finalem Druckabbau des abgekühlten Nutzgases
[0046] Nach Beendigung der elektrischen Energieentnahme in Phase 2 beginnt Phase 3. In Phase 3 sollen Läufer 121 und Kolben 120 die Umkehr ihrer Bewegungsrichtung erfahren. Die Kolbengeschwindigkeit bei Ein- und Austritt in Phase 2 solle dabei möglichst gleich sein, nur die Richtung muss sich umkehren.
[0047] Wenn sich der Kolben 120 in der Nähe von UT befindet, können auch die Abgasventile 124 geöffnet werden, so dass der finale Druckab bau im Kolbenraum eingeleite† wird.
[0048] Eine für die Umkehr der Bewegungsrichtung geeignete Vorrich tung mittels partiell wirkender Gasdruckfeder 13 ist in Fig. 3 dargestellt. Der Stempel der Gasdruckfeder 13 trifft kurz vor UT auf die Druckkammer 130 der Gasdruckfeder 13, so dass sich der nötige Druck für die Bewe gungsumkehr aufbaut. Das Spiel zwischen Stempel und Druckkammer 130 sorgt dafür, dass beim Druckaufbau in der Gasdruckfeder 13 Luft entweicht, welche durch die Druckventile wieder von außen zugeführt wird. Dadurch entsteht im Luftraum der elektrischen Maschine um den Läufer ein Luftstrom, der zu Kühlzwecken verwendet werden kann. Der Läufer 121 steckt an der Position UT nur noch zu einem geringen Teil im Stator 100.
Phase 4: Erneuerung des Füllgases und Kompression
[0049] Die In Phase 4 befinde† sich der Kolben 120 wieder auf dem Weg zu OT. Bei geöffneten Abgasvenfilen 124 müssen sich nun die Einlassventi le 123 öffnen und Frischgas muss mit geeignetem Druck einsfrömen. Ab hängig vom verwendeten Brennstoff, und dem Druck des einsfrömenden Frischgases schließen Ein- 123 und Auslassventile 124 solange der Kolben 120 noch genügend weif von OT entfern† ist.
[0050] Sobald das Brennmiffel eingebrach† ist (entweder mit dem Frisch gas oder mittels Direkteinspritzung in die Brennkammer), kann der Ver brennungsvorgang bei OT in Phase 1 wieder eingeleite† werden.
[0051 ] Die Dekompression während Phase 2 und die Kompression wäh rend der Phase 4 müssen nicht gleich sein. Mit unterschiedlichen Kom pressionswerten für Phase 2 und 4 kann für jeden Brennstoff der optimale Wirkungsgrad erzielt werden.
[0052] Das vorliegende System wird in vorteilhafter Weise mit einem Tur bolader inkl. Ladeluftkühler kombiniert. So würde der Turbolader den nö tigen Druck zum Einbringen des Frischgases in Phase 4 erzeugen.
[0053] Die Energie (kinetische Energie oder Potentielle Energie aus der Feder), welche der Kolben 120 in Phase 4 zugeführt wird, führt in Folge der Aufwärtsbewegung des Kolbens 120 Richtung OT zur Kompression des Gases im Brennraum (Temperatur- und Druckanstieg) bis der Kolben zum Stillstand kommt. Durch geeignete Steuerung der Kolbengeschwin- digkeit zu Beginn der Phase 4 oder während der Bewegung hin zu OT kann dem Kolben 120 genügend kinetische Energie zugeführt werden, so dass es nahe OT zur Kompressionszündung kommt. Optimierter Gasein-/Auslass
[0054] Die Einkolbensysteme wie in Fig. 1 erzeugen viele unerwünschte Vibrationen und Schwindungen. Diesem Problem kann mit einem Zwei kolben-System wirksam begegnet werden, wenn sich beide Kolben 120 auf einer Achse gegenläufig bewegen. Hier werden zwei gegenläufige Kolben 120 mit einer gemeinsamen Brennkammer betrieben (Fig. 3). Die gemeinsame Brennkammer 1 10 biete† den Vorteil, dass es nur ein ge meinsames„heißes“ Ende für beide Kolben 120 gib†. Diese Lösung erfor dert jedoch auch, dass die Ventile für den Gasein- 46a und -auslass 46b an der gemeinsamen Zylinderwand angeordne† werden. Dies biete† den Vorteil, dass sich ein- und ausströmende Gase im Brennraum in rotieren der Bewegung, ähnlich einem Zyklon, befinden können. Die Rotations bewegung trägt zum schnellen und sauberen Gasaustausch bei, sorgt für die Trennung von Frisch- und Abgas und ist einer schnellen Verbren nung nach der (Selbst-) Zündung förderlich. Die Rotationsbewegung der Gasmassen 20 trägt auch dazu bei dass sich in die Brennkammer einge- brachte Brennstoffwolke mit unterschiedlich großen Tröpfchen im Rotati onszentrum konzentriert, wobei sich vorwiegend größere Tröpfchen an den Brennkammerwänden niederschlagen, und so weniger Schadstoffe, Russ und Feinstaub produzieren.
[0055] Im Rahmen der Kompression kann die Rotationsgeschwindigkei† der Gasmassen 20 gesteigert werden, wenn die Gasmassen 20 auf einen Raum mit kleinerem Durchmesser gebracht werden. Die Form der Ein- und Ausströmkanäle hinter den Ventilen 123,124 (vgl. Fig. 4) erzeugen beim Gasaustausch die gewünschten rotierenden Luftmassen. Die Form des Kolbens 120 (beispielsweise mit Vertiefung in der Mitte) beschleunigt die Rotation der Luftmassen im Rahmen der Kompression. Venfilansfeuerung mit einer um den Zylinder umlaufenden Blafffe- der/Venfilbefäfigung
[0056] Die ringförmige Anordnung der Ein- 123 und Auslassventile 124 gemäß Fig. 4 ermöglich† eine besonders effektive Form der Venfilbefäfi- gung mittels einer umlaufender Blafffeder 14.
[0057] Die bewegliche und umlaufende Blafffeder 14 ist dabei auf ei nem Führungsring 140 montier† und drück† das Ventil nach Schließung in den Sitz. Über der Blafffeder 14 ist zu diesem Zweck am Venfilsfäßel eine Führungsrolle 141 befestig†, so dass sich der Anpressdruck erst aufbauf, wenn das Ventil bereits seine Position im Ventilsitz erreich† hat. Eine zwei te Führungsrolle 142 ist am Venfilsfäßel unter der Blafffeder 14 montier†, so dass die sich bewegende Blafffeder 14 das Ventil zum Öffnen in den Brennraum drücken kann. Dies geschieh† dann mit der schiebenden Blafffeder 14 ohne größeren Kraftaufwand. Der Abstand der oberen und unteren Führungsrollen 141 ist konstant und die Dicke der Blafffeder 14 ist so ausgelegf, dass sich diese in jeder Position ohne Spiel zwischen den Führungsrollen 141 bewegen kann.
[0058] Die umlaufenden Blafffedern 14 sind auf einem Führungsring montier†, der auch für den Vortrieb verantwortlich ist. Der Führungsring wird mittels Zahnrad und Schrittmotor in die gewünschte Position ge brach†.
[0059] Damit der Venfilsfäßel nur vertikal wirkende Kräfte aufnehmen muss, werden zwei umlaufende Blafffedern 14 mit Führungsrollen 141 rechts und links des Venfilsfößels benötig†. Diese beiden umlaufenden Blafffedern 14 lassen sich gleich oder gegenläufig bewegen. Sofern die untere Führungsrolle 141 für Ein- 123 und Auslassventile 124 nur auf einer Seife des Venfilsfößels angebracht wird, kann eine der beiden umlau fenden Blafffedern 14 (z.B. die obere) das Öffnen des Einlassventils 123 und die andere (z.B. die untere) das Öffnen des Auslassventils 124 sfeu- ern. Wenn zuverlässiges Schließen aller Ventile 123, 124 gefordert ist, (z.B. in der Position OT) drücken beide Blattfedern 14 alle Ventile 123, 124 mit beiden oberen Führungsrollen wieder in ihren Sitz.
[0060] Die Betätigung der Ventile 123, 124 mittels umlaufender Blattfe dern 14 hat auch den Vorteil, dass die femperaturabhängige Längenva riation des Venfilstößels automatisch kompensier† wird. Wartungsintensive Arbeiten wie die Einstellung des Ventilspiels oder aufwendige Lösungen wie Tassenstößel werden dadurch vermieden.
[0061 ] Die Blattfeder vereinig† die Funktion von Ventilfeder und Ven tilsteuerung. Es sind auch Implementierungen mit Ventielfe- dern/Spiralfedern pro Ventil denkbar und umlaufendem Steuerelem† („umlaufender Nockenwelle“) welche mittels Ausstülpungen/Nocken im umlaufenden Ring zum Öffnen des Ventils auf den Ventilstössel drück†.
Das Treibstoffsystem: Betrieb mit Kompressionszündung
[0062] Nachfolgend wird das Treibstoffsystem beschrieben (Fig. 5). Die Treibstoffpumpe bring† den Treibstoff auf einen vergleichsweise niedrigen Druck von 100 bis 200 bar (treibstoffabhängig). Der so auf bereitete Treib stoff wird gekühlt und mittels Direkteinspritzung in den Brennraum der Brennkammer 1 10 gespritzt, sobald die Einlassventile 123 geschlossen sind. Im Brennraum befinden sich zu diesem Zeitpunkt bereits rotierende Luftmassen (Frischgas), so dass sich der Treibstoff nach Einspritzung als zerstäubte Brennstoffwolke vorwiegend im Rotationszentrum der Gas massen 20 sammelt bevor er bei weiterem Druckanstieg verdampft. Grössere Brennstofftröpfchen kondensieren an der Zylinderwand.
[0063] Durch fortschreitende Kompression steigen Druck und Temperatur von Frischgas und Brennstoffwolke, so dass die Brennstoffwolke abhängig vom Brennstoff teilweise verdampft, bevor Druck und Temperatur so weit angestiegen sind, bis es zur Kompressionszündung komm†. [0064] Die beschriebene Anordnung und deren Steuerung sind insbe sondere dafür ausgelegf, um für ölige Treibstoffe, wie beispielsweise für Diesel-Treibstoffe, eine Kompressionszündung zu ermöglichen. Dabei werden ölige Treibstoffe wie Dieselöl nach den Schließen der Einlassventi le 123 zu Beginn des Kompressionszykluses in die Brennkammer 1 10 ein gebrach†. Dies im Gegensatz zur Diesel-Selbstzündung, bei welcher der Treibstoff nach dem Ende des Kompressionszykluses unter sehr hohen Ein- sprifzdrücken, teils über 2500 bar, eingesprifzf wird.
[0065] Beim Einsprifzen des Treibstoffs wird auch die Verdampfungsener gie des Treibstoffs genutzt, um das bereits in der Brennkammer befindli che Frischgas möglichst weit abzukühlen.
Das Schmiersystem
[0066] Der FKLG komm† mit nur zwei Gleitlagern aus (Fig. 1 und Fig. 3). Neben den Kolbenringen (Gleitlager 1 , GL1 ) wird ein weiteres Gleitlager (GL2) für die Schubstange 125 benötig†, welche auf der einen Seite mit den Kolben 120 und auf der anderen Seite mit dem Läufer 121 des elekt rischen Systems verbunden ist.
[0067] Im Flohlraum, den GL1 und GL2 abdichten, wird Schmiermittel auf gegeneinander gleitende Flächen aufgebracht, insbesondere auf die Laufflächen der Kolbenringe und auf die Schubstange 125. Da die An ordnung bauartbeding† keine besonderen Anforderungen an die Auf nahme von Querkräften stell†, muss kein hochwertiges Schmieröl ver wende† werden. S†a††dessen kann öliger Treibstoff genutzt werden, des sen Schmiereigenschaften (Viskosität) für eine ausreichende Schmierung bereits einen sicheren und verschleißfreien Betrieb ermöglichen.
[0068] Optional biete† sich auch die Schmierung der Ventile und der zu gehörigen mechanischen Komponenten mit öligen Treibstoffen an. [0069] Die Anordnung wird wartungsfrei, wenn der Treibstoff, welcher zur Schmierung eingebrach† wurde, in regelmäßigen Abständen oder fort laufend der Verbrennung zugeführ† wird. In der Abb.l 7 ist ein Abzweig zu erkennen, der den Treibstoff nach dem Durchlaufen der Filtereinheit der Einspritzpumpe, und damit der Verbrennung, zuführ†. Die Anordnung (Fig. 6 und Fig. 7) komm† also ohne separat zu behandelnde und teils für die Umwelt problematische Schmieröle aus. Verbrauchte Schmieröle müssen also weder ausgetausch† noch aufwendig entsorg† werden.
[0070] Sollte der Treibstoff nicht für die Schmierung der Gleitlager des FKLGs geeignet sein, bietet sich für die Schmierung eine Ausführung ge mäß Fig. 8 an.
Die Reluktanz-Feder
[0071 ] Eine Schlüsselkomponente der Erfindung ist die elektrische Ma schine, welche von der Schubstange 125 unter dem Kolben 120 ange geben wird. Wie in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt, ist die Schubstange mit dem Läufer 121 der Maschine verbunden. An der Verbindungsstelle zwi schen Kolben 120 und Schubstange 125, sowie zwischen Schubstange 125 und Läufer 121 wird jeweils eine thermische Isolation (z.B. Keramik scheibe 126, Wärmeleitfähigkeit Keramikporzellan: typisch l ,5W/(mK), vers. Wärmeleitfähigkeit Aluminium: typisch 235W/(mK)) eingefügt. Der Läufer 121 selbst enthält keine Dauermagnete und die zylinderförmige Läuferstrukfur besteh† im einfachsten Falle aus weichmagnetischem Eisen (Blechpaket aus Elektroblechen) ohne weitere Strukturierung.
[0072] Die Kolbenbewegung schiebt den zylinderförmigen Läufer 121 (Ausführungen als Einfach- oder Doppelzylinder sind möglich) über den ebenfalls zylinderförmigen Stator 100, so dass zwischen den Läufer- und Statorflächen ein magnetisch wirksamer Spalt 122 entsteh†. Bei der Positi on OT sind Läufer 121 und Stator 100 vollständig übereinander gescho ben, und die Flächen von Läufer 121 und Stator 100 am Spalt 122 über- decken sich mit maximaler Fläche vollständig. In der Position UT überde cken sich Läufer- und Statorflächen vorzugsweise nur minimal.
[0073] Da der Stator 100 Dauermagnete besitz†, welche im stromlosen Zustand den Spalt 122 mit magnetischem Feld (axial und/oder radial) flu ten, wird der Läufer 121 bei nicht vollständiger Überdeckung immer eine Kraft Richtung OT erfahren. Diese Reluktanzkraft ist nur abhängig von der Spaltbreite, der Spaltlänge (Umfang) und dem Betrag des sich darin aufbauenden zusätzlichen Magnetfelds bei fortschreitender Überde- ckung von Stator und Läuferflächen. Diese Reluktanzkraft wird bei der vorliegenden Anordnung genutzt, um den Läufer 121 stromlos von der Position UT zur Position OT zu bewegen und dabei die nötige Kompressi- onsarbeit aufzubringen. Bei entsprechender Auslegung und Dimensionie rung kann die so aufgebaute „Reluktanzfeder“ die Bewegungsumkehr ohne Unterstützung einer Gasdruckfeder 13 umsetzten.
[0074] Im Arbeitszyklus mit der Kolbenbewegung von OT zu UT muss bei einem Aufbau gemäß Fig. 1 oder Fig. 3 der Kolben 121 auch gegen die Reluktanzkraft arbeiten. Reluktanzkraft und die Entnahme elektrischer Energie während des Arbeitszykluses führen dazu, dass Kolben 120 und Läufer 121 bei UT vollständig abgebremst sind, und ein erneuter Kom pressionszyklus gestartet werden kann.
[0075] Die Reluktanzkraft wird in der vorliegenden Erfindung genutzt, um die Funktion der üblicherweise bei einem FKLG zum Einsatz kommende Gasdruckfeder 13 teilweise oder komplett zu ersetzen.
Der Reluktanz-Freikolbenlineargenerator
[0076] Ein FKLG, welcher durch Verwendung von Reluktanzkräften der elektrischen Maschine auf Gasdruckfedern 13 für die Kolbenrückführung verzichten kann, soll hier als Reluktanz-Freikolbenlineargenerafor (R-FKLG) bezeichne† werden. Wie in Fig. 9 ersichtlich, wird dadurch der mechani sche Aufbau weiter vereinfach†.
[0077] Der Verzieh† auf die Gasdruckfeder 13 und die Verwendung eines Läufers 121 , der weder Permanentmagnete noch Spulen benötig†, er möglich eine hervorragende thermische Isolation des Lineargenerators 10 vom thermischen Teil der Maschine.
[0078] Die Abbildungen Fig. 10 und Fig. 1 1 zeigen simulierte Geschwin digkeitsprofile des Kolbens 120 eines R-FKLGs 1 in Abhängigkeit des Profils der elektrischen Energieentnahme. Insbesondere Fig. l 1 zeigt, dass durch geschickte elektrische Energieentnahme am Lineargenerator 10 die Kol- bengeschwindigkeit über lange Wegstrecken annähernd bei Vmax ge halten werden kann.
Details zum Aufbau von Stator und Läufer
[0079] Wie in vorstehenden Ausführungen bereits beschreiben, ist der Läufer 121 im einfachsten Fall ein Zylinder aus weichmagnetischen Werk stoffen (z. B. Elektroblechen). Insbesondere enthält er weder Spu len/Leiterschleifen noch Permanentmagnete.
[0080] Der Stator 100 mit radialer Flussführung enthält vorzugsweise scheibenförmige, rechteckige Permanentmagnete (PM) 1001 in stern förmiger Anordnung, um die Eisenpakte zwischen den Permanentmag neten 1001 mit magnetischer Feldstärke zu fluten. Die Permanentmagne te 1001 sind tangential zur magnetischen Flussrichtung zur Seite des magnetischen Spalt mit Spulenpaketen umgeben (siehe Fig. 12). Die Pol flächen der Permanentmagnete 1001 geben den magnetischen Fluss der PMs 1001 in die Eisenpakte des Stators 100 ab. Die Eisenpakete zwi schen den PMs 1001 sammeln den magnetischen Fluss, so dass selbst schwache PMs an den Polflächen des Stators 100 große magnetische Flüsse erzeugen können, sofern die PMs 1001 nur lang genug sind (bzw. der der Stator dick genug). Die Statorgeometrie bündelt also die magne tischen Flüsse der PMs 1001 , um hohe magnetische Flüssen im magneti schen Spalt 122 zu erzeugen.
[0081 ] Aus Fig. 12 geht auch hervor, wie sich um die Spulen 1000 ein ra dial verlaufender magnetischer Fluss bilde†, sofern der Läufer den Stator 100 überstreich†. Wird der Kolben 120 von OT zu UT beweg†, verringert sich die überstrichene Fläche von Stator 100 und Läufer 121 und die den Spulenleitern ausgesetzten magnetischen Felder nehmen ab. Die Spulen leiter antworte† darauf mit einem Induktionsstrom, so dass im Arbeitstakt elektrische Leistung entnommen werden kann.
[0082] Die Feldlinien im Außenläufer sind in der Nähe der Spulenleiter be sonders stark. Es biete† sich daher an, an diesen Stellen die Läuferdicke zu erhöhen und dafür den Läufer 121 zwischen den Spulenleitern in seiner Dicke zu reduzieren. So entsteht ein gewichtsoptimierter Läufer 121 , der höhere Leistungen und geringere Verlustleistungen verspricht.
[0083] Interessant ist, dass die magnetischen Flüsse in Stator 100 und Läu fer 121 bei maximaler Überdeckung von Läufer 121 und Stator 100 im 122 Spalt maximal sind und bei geringer Überdeckung gegen Null tendieren (nur noch Streufluss). Die magnetischen Flüsse ändern in dieser Anord nung zwar ihren Betrag, jedoch nicht ihre Polarität. In Läufer 121 und Sta tor 100 finden also bei Läuferbewegungen keine kompletten Ummagne- tisierungen statt, so dass ein hoher Wirkungsgrad des Lineargenerators 10 erwarte† werden kann.
[0084] Ein Stator 100 wie vorgängig beschrieben, kann zwar die vom thermischen Prozess bereitgestellte Leistung in effizienter Weise als elektri sche Energie umwandeln, jedoch kann er den R-FKLG 1 nicht ohne Hilfs mittel starten, weil mit dieser Anordnung kein Motorbetrieb möglich ist, welcher den Läufer 121 und damit den Kolben 120 auf die Position UT ziehen könnte. [0085] Bei einem Star† mit Hilfsmitteln muss der Kolben 121 in die Position UT geschoben und dann freigegeben werden. Dies kann beispielsweise mit mechanischen Zugstangen und Servomotoren erfolgen. Eine andere Möglichkeit für den Start ergib† sich durch das Befüllen der Brennkammer 1 10 mit Druckluft, bis der Kolben 120 die UT-Posi†ion erreicht ha†. Die Druckluft kann entweder extern erzeug† und zugeführt werden. Alternativ kann dafür ein Turbolader zum Einsatz kommen, der mit einem elektri schen Antrieb für die Schaufelräder ausges†a††e† ist.
Generator- und Motorbetrieb
[0086] Damit der Lineargenerator 10 den R-FKLG 1 ohne externe Hilfe starte† kann, muss die Struktur der elektrischen Maschine angepass† wer den. Ein Aufbau aus mehreren Polebenen wie in Fig. 13 mit sich abwech selnden magnetischen Polaritäten biete† sich an. Ein so geschichteter Stator 100 kann bei hinreichender Anzahl Ebenen eine Axialkraf† erzeu gen, welche größer als die ebenfalls in Längsrichtung wirkende Reluk- tanzkraf† ist. So ist es möglich, mittels Motorbetrieb des Lineargenerators 10 den Kolben 120 bzw. Läufer 121 für den Start des R-FKLG 1 in die UT- Position zu katapultieren.
[0087] Nachteilig bei diesem mehrschichtigen Stator- und Läuferaufbau ist jedoch, dass der Läufer 121 in einzelne Polflächen strukturiert werden muss (Siehe Fig. 13 und Fig. 14). Außerdem müssen die so entstehenden Polflächen des Läufers 121 aus weichmagnetischen Läufermaterialien beim Überstreichen des Stators 100 mehrfach vollständig ummagnetisier† werden. Es muss daher mit geringeren Wirkungsgraden im Generatorbe trieb gerechnet werden.
[0088] Neben den gezeigten Anordnungen sind viele weitere alternative Anordnungen und Strukturierungen mit axialer und/oder radialer magne tischer Flussführung denkbar. Allen Anordnungen ist jedoch gemein, dass die beweglichen Läufer 121 weder Permanentmagnete noch Spulenlei- †er enthalten. Permanentmagnete und Spulenführungen sind als Teil des Stators nicht beweglich.
[0089] Von besonderem Interesse in Fig. 14 ist eine Anordnung mit Innen- und Außenstator und dem Läufer 121 zwischen den beiden Statormodu len. Wenn der zylinderförmige Läufer 121 in den Raum zwischen Innen- und Außenstator geschoben wird, entstehen zwei magnetisch wirksame Luftspalte 122 an den Innen- und Außenflächen des Läufers 121 . Radial, am Läufer 121 wirkende Kräfte können durch diese Anordnung minimier† werden. Die am Läufer wirkende Reluktanzkrafte profitieren ebenfalls von den zwei magnetisch wirksamen Lutspalten 122.
[0090] Fig. 1 6 zeigt einen elektrischen Generator mit axialer Flussführung im Läufer. Erkennbar sind die zylinderförmigen Läuferpole mit unter schiedlich dick ausgeführtem weichmagnetischem Material (Trafo, oder Elektroblech). Die Dicke der Läuferpole ist so gewählt, so dass eine ho mogene Flussdichte in den Läuferpolen bei minimalem Läufergewich† er zielt einstell†. Fig. 16 zeigt eine Konfiguration mit 3 Ringspulen im Stator. Diese können bei OT beispielswiese einzeln oder in Parallelschaltung am Gleichrichter angeschlossen und betrieben werden. Wenn sich vor Errei chen von UT die Läufergeschwindigkeit verringert, bietet sich die Serien schaltung der noch vom Läufer überstrichenen Spulen für den Betrieb mit dem Gleichrichter an. So wird sichergestellt, dass der elektrische Genera tor in Abhängigkeit von der Läufergeschwindigkeit jeweils mit optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Elektronik und Steuerung
[0091 ] Fig. 17 illustrier† die Ansteuer-Elektronik einer einzelnen Statorspule. Ein globaler Kontroller (Control logic) übernimm† die Steuerung aller Sta torspulen 1000 gleichzeitig, wobei nicht alle Spulen 1000 immer ange- steuer† werden müssen. Pro Statorspule 1000 gibt es einen Generatorkon troller zur Energiegewinnung und einen Motorcontroller für das aktive Bewegen des Läufers 121 , zum Beispiel zur Realisierung eines Anlassers, oder aktiven Verzögerung der Bewegung. Elektrische Energie vom Line argenerator 10 wird in einer Batterie zwischengespeichert. Energie aus dieser Batterie kann zum Starten des FKLG 1 verwendet werden.
[0092] Der Generatorcontroller ist zum Beispiel als schaltbarer Brücken gleichrichter ausgelegt (Fig. 18).
[0093] Zur Kontrolle des Geschwindigkeitsprofils wird mit dem Signal‘Cnt’ der Gleichrichter ein- oder ausgeschalte† und so der Läufer durch Ener gieentnahme gebremst. Je nach Position und Geschwindigkeit des Läu fers 121 ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten für die Einschaltzyk len, um die Energieentnahme für das gewünschte Geschwindigkeitsprofil des Läufers 121 zu steuern.
[0094] Um den FKLG elektrisch zu bewegen, wird eine Motorelektronik benötigt (Fig. 19).
[0095] Die Motorspannung Vsup kann mittels den Kontrollsignalen Cntl und Cn†2 mit beiden Polaritäten an die Statorspule 1000 angelegt wer den.
[0096] Das erfindungsgemäße Verfahren und der Freikolbenlineargene rators beschränken sich in ihren Ausführungen nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr sind eine Viel zahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestell ten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Ge brauch machen. Liste der Bezugsziffern
1 (R-)FKLG
10 Lineargenerafor
1 1 Verbrennungseinheif
12 Kolben-Läufer-Einheif
13 Gasdruckfeder
14 Blafffedern/Sfeuerelemenf, umlaufend 15a Gleitlager (Abschluss Ölraum)
15b Gleitlager (Kolbenringe)
16 Direkfeinsprifzung
17 Zündung
18 Druckvenfil (Druckausgleich)
19 Kühlrippen
20 Gasmassen
30 Druckspeicher
31 Hochdruckpumpe
32 Einspritzdüse
33 Filter
34 Pumpe
35 Treibstoff tank
36 Rücklauf
37 Manometer
38 Überdruckventil
39 Füllsfandsüberwachung
40 Zwischenspeicher
41 Rücklaufsammelbehälfer
42 Schmiersfellen
43 Überströmventil
44 zur Einspritzpumpe
45 Ölwanne
46a Lufteinlasse
46b Abgas 100 Stator
101 Steuerung
1 10 Brennkammer
1 1 1 Ölraum und Luftfeder, parasitär
1 12 Verbindung Läufer-Kolben, nicht luftdicht
120 Kolben
121 Läufer
122 Luffspalt
123, 124 Ventile
125 Schubstange
126 Keramikscheibe
140 Führungsring
141 Führungsrolle
460a Einlasskanal
460b Auslasskanal
1000 Spulen
1001 Permanentmagnete
1002 Eisenpakefe
1210 Außenläufer
121 1 Innenläufer
OT oberer Totpunkt
UT unterer Totpunkt

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerators
PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Betreiben eines Freikolbenlineargenerafors (1 ) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei der Freikolbenlineargenera tor (1 ) mindestens einen Lineargenerator (10) sowie mindestens ei ne Verbrennungseinheit (1 1 ) mit mindestens einer Brennkammer (1 10) aufweis† und die Verbrennungseinheit (1 1 ) und der Linearge nerator (10) über zumindest eine Kolben-Läufer-Einheit (12) mitein ander verkoppelt sind, wobei die Kolben-Läufer-Einheit (12) mindes tens einen Läufer (121 ) sowie mindestens einen Kolben (120) um fasst, der einen Expansionshub von einem oberen Totpunkt (OT) zu einem unteren Totpunkt (UT) und einen Kompressionshub vom unte ren Totpunkt (UT) zum oberen Totpunkt (OT) ausführ†, wobei nach der Beschleunigung des mindestens einen Kolbens (120) die elektri sche Energieentnahme durch den Lineargenerator (10) in der Wei se geregelt oder gesteuert wird, dass hierdurch ein kontrollierter Sollgeschwindigkeitsverlauf des Kolbens (120) zwischen OT und UT mindestens abschnittsweise erreicht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energie zur Ausführung des Kompressionshubs dem Lineargene rator (10) entnommen wird, der diese Energie während des Expan sionshubs im Lineargenerator (10) als magnetisch gespeicherte Energie bereitstell†.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die für die Kompression im Lineargenerator zur Verfügung stehende magnetisch gespeicherte Energie bei UT durch zusätzliche Energie speicher in Form einer Gasdruckfeder oder elektrischer Energie er gänzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine Kolben (120) nach der Zündung der Brenn kammer (1 1 ) mindestens bei OT den Läufer vollständig in den Stator eintauch† und anschließend bis UT schrittweise aus dem Stator schiebt, so dass nach der Zündung der Lineargenerator (10) seine maximale, elektrisch induzierte Haltekraft aufbauen kann, wobei die vom Lineargenertor (10) zur Verfügung stehende, elektrisch in duzierte Haltekraft auf seinem Weg von OT zu UT schrittweise ab nimm†.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Leistungssteuerung Kolben (120) und Läufer (121 ) mittels Ansteu erung von Auslass- und/oder Einlassventilen des Brennraums zeitwei se nahe UT festgehalten werden, wobei nach dem Schließen der Auslass- und Einlassventile des Brennraums der Druck in der Brenn kammer und die Rückstellkräfte, welche am Läufer aufgrund der statischen Magnetfelder wirken, in diesem Betriebszustand im Gleichgewicht sind und Kolben (120) und Läufer (121 ) bei UT verhar ren, bis eines der Ventile wieder geöffnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Schmierung einzelner oder aller Gleitlager ölige die für die Verbrennung vorgesehenen Treibstoffe ohne Vormischung mit Schmierölen verwendet werden, wobei die Treibstoffe, welche für die, die nach Schmierung benutzt wurden, mittels Pumpe an die Schmierstellen gebracht, laufend erneuert und regelmäßig der Verbrennung zugeführt werden.
6. Freikolbenlineargenerator ( 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
der Läufer zur Gewichtsopfimierung Pole besitzt, die derart ausge- führt sind, dass die Flächen der Pole des Läufers (121 ) aus weich- magnefischen Materialien in unterschiedlicher Dicke ausgeführt werden.
7. Freikolbenlineargenerafor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
radial angeordnefe Ein- (123) und Auslassventile (124) entlang der Zylinderwand der Brennkammer vorgesehen sind.
8. Freikolbenlineargenerafor (1 ) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventilsteuerung der Ein- (123) und/oder Auslassventile (124) mit tels den Brennraum umlaufenden, mechanischen Blattfedern er folg†, welche gleichzeitig als Führungs- und/oder Steuerelemente dienen.
9. Freikolbenlineargenerafor ( 1 ) nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ein- (123) und/oder Auslassventile (124) jeweils massensymmet risch um die Längsachse entlang der Zylinderwandwand des Brenn raums angeordne† sind. Massesymmetrische bedeute† hierbei, dass zwei Ein- (123) und/oder Auslassventile (124) jeweils paarweise ge genüberliegend an der Zylinderwand angeordne† sind. Drei Ein-
(123) und/oder Auslassventile (124) sind jeweils 120 Grad versetzt an der Zylinderwand angeordne†, 4 Ein- (123) und/oder Auslassventile
(124) jeweils paarweise gegenüberliegend, etc.
10. Freikolbenlineargenerafor (1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilsteuerung vorgesehen ist, mittels der mit Ventilkanälen der Ein- (123) und/oder Auslassventile (124) über eine radiale oder teilweise radiale Gasführung beim Gasaustausch rotierende Gas massen (20) im Brennraum erzeugt werden, um
a) zerstäubte Kraftstoffe im Rotationszenfrum zu konzentrieren, b) kalte Frischluft von warmen Abgasen zu separieren und/oder c) Verbrennungsrückstände im Rotationszenfrum zu konzentrie ren.
d) nicht verdampfte Kraftstoffe an den Zylinderwänden zu kon densieren.
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