Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 22 17 194 C3 be- kannt.

Mit ihr läßt sich beispielsweise chemische Energie über Verbrennung teilweise in mechanische Energie, nämlich kinetische Energie einer Kolbeneinrichtung, umwandeln und diese mechanische Energie läßt sich dann wiederum über den Lineartrieb zumindest teilweise in elektrische Energie umwandeln. Durch eine Ausgestaltung der Kolbenbewegung als Freikolbenbewegung läßt sich eine reine Linearbeweglichkeit der Kolben realisieren, ohne daß eine Kurbelwelle vorgesehen werden muß.

Entsprechende Vorrichtungen können beispielsweise als Teil von Hybrid- antrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden und insbesondere im Zusam- menhang mit seriellen Hybridkonzepten. Sie lassen sich auch als kompakte Stromerzeugungseinheit zur Generierung von Strom einsetzen oder auch in Zusammenhang mit stationären Anwendungen wie beispielsweise Blockheiz- kraftwerken einsetzen.

Verbrennungsvorrichtungen mit elektrischen Generatoren sind auch aus der US 6,199, 519 Bl, der DE 31 03 432 Al, der DDR-Patentschrift Nr. 113 593, der DE 43 44 915 Al oder aus dem Artikel"ADVANCED INTERNAL COMBUSTION ENGINE RESEARCH"von P. Van Blarigan, Proceedings of the 2000 DOE-Hydrogen Program Review, bekannt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Freikolben- vorrichtung mit elektrischem Lineartrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, welche universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenhub über den Lineartrieb derart variabel ein- stellbar ist, daß die Totpunkte der Bewegung der Kolbeneinrichtung definierbar sind.

Dadurch, daß der Kolbenhub über entsprechende elektrische Beaufschlagung des Lineartriebs variabel einstellbar ist, läßt sich die Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung so einstellen, daß die für die jeweilige Anwendung optimalen Bedingungen herrschen.

Durch einen variablen Kolbenhub läßt sich eine variable Verdichtung erreichen ; es lassen sich nämlich die Umkehrpunkte der Bewegung eines Verdichter- kolbens der Kolbeneinrichtung gezielt einstellen. Dadurch läßt sich die Vor- richtung in jedem Lastbereich optimal betreiben.

Bei Vollast beispielsweise muß eine große Gasmenge angesaugt werden. Es ist deshalb beispielsweise für Brenngase ein großer Brennraum (als Expansions- raum) erforderlich und damit auch ein großer Kolbenhub. Im Teillastbetrieb dagegen ist das Ansaugvolumen reduziert und das Volumen deshalb zu ver- ringern.

Der Lineartrieb kann dann auch die Inbetriebnahme der Vorrichtung unter- stützen, indem beispielsweise die Anfangsverdichtung über den Lineartrieb ge- steuert wird.

Über eine Steuerung/Regelung des Lineartriebs läßt sich gezielt die gewün- schte Bewegungsform der Kolbeneinrichtung einstellen ; der gewünschte Um- kehrpunkt, die Kolbengeschwindigkeit und die Verdichtung lassen sich jeweils einstellen, so daß insbesondere im Teillastbetrieb sich verbesserte Teillast- wirkungsgrade erreichen lassen, da keine Drosselklappe notwendig ist. Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung läßt sich damit der Betriebspunkt der Vorrichtung genau festlegen.

Auf diese Weise kann dann eine Expansionskammer wie beispielsweise eine Brennkammer optimal an die Anwendung angepaßt werden, das heißt insbe- sondere das Volumen und die Oberfläche der Expansionskammer läßt sich

gezielt anpassen. Dadurch wiederum ergeben sich umfangreiche Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten. So ist es möglich, die Vorrichtung mit unter- schiedlichen Brennstoffen oder auch mit expandierbaren, nicht-brennbaren Wärmeträgermedien wie Dampf zu betreiben, das heißt die Vorrichtung ist vielstofftauglich. Es ist dabei auch keine Umstellung der Vorrichtung als solcher erforderlich, das heißt die Anpassung an einen bestimmten Kraftstoff wie Pflanzenöl oder Diesel (Diesel-Prinzip) oder Normal-oder Superbenzin (Otto- Prinzip) oder Wasserstoff oder Erdgas läßt sich"online"durchführen, indem entsprechend der Kolbenhub über beispielsweise Strombeaufschlagung der jeweiligen Statorvorrichtung eingestellt wird.

Es ist sogar möglich, einen kombinierten Otto-Diesel-Motor mit der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung zu realisieren.

Es ist beispielsweise auch möglich, zwischen 2-Taktbetrieb und 4-Taktbetrieb zu wechseln.

Eine Kolbenaufnahme kann dabei einen konstanten Innendurchmesser oder einen variierenden Durchmesser aufweisen und beispielsweise abgestuft aus- gebildet sein. Mehrere Kolbenaufnahmen können vorgesehen sein, wobei Kolbenaufnahmen paketartig oder auch V-förmig angeordnet sein können.

Es ist möglich, das expandierende Medium in dem Expansionsraum auf unter- schiedliche Weise zu erzeugen bzw. in den Expansionsraum einzukoppeln. So kann der Expansionsraum ein Brennraum sein, in dem eine Kraftstoffverbren- nung stattfindet und dabei expandierende Brenngase erzeugt werden. Es ist auch möglich, daß der Expansionsraum ein Brennraum ist, in den Brenngase

eingekoppelt werden, wobei diese in dem Brennraum expandieren. Weiterhin ist es möglich, in den Expansionsraum ein Wärmeträgermedium wie Dampf einzukoppeln, wobei dieses Wärmeträgermedium extern erzeugt wird bzw. welchem extern Energie zugeführt wird. In dem Expansionsraum expandiert dann dieses Wärmeträgermedium und bewirkt eine Kolbenbewegung.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Totpunkte örtlich bezüglich der Kolbenaufnahme definierbar sind, um so über eine entsprechende Einstellung die Verdichtung des Systems festlegen zu können. Es ist dann auch vorteilhaft, wenn die Totpunkte für die Bewegung der Kolbeneinrichtung zeitlich definier- bar sind. Dadurch wiederum läßt sich auch eine Bewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung einstellen, welche eine konstante Periode aufweist.

Dies ermöglicht es beispielsweise, Druckwellenlader für einen Brennraum als Expansionsraum einzusetzen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bewegung der Kolbeneinrichtung so variabel einstellbar ist, daß der Ort der Kolbeneinrichtung zu jedem Zeit- punkt definierbar ist. Als Sonderfall davon ist insbesondere die Kolben- geschwindigkeit einstellbar. Auf diese Weise läßt sich bei entsprechender Vor- gabe der Bewegungsformen der mindestens einen Kolbeneinrichtung über den Lineartrieb eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebsparameter der Vorrichtung erzielen, wobei diese Betriebsparameter insbesondere durch den verwendeten Brennstoff bestimmt sind, durch den Lastzustand und weitere Parameter.

Weiterhin ist es günstig, wenn oberer Totpunkt und unterer Totpunkt des Kolbenhubs der Kolbeneinrichtung definierbar sind, um so eine optimale An- passung herstellen zu können.

Um einen variablen Kolbenhub einstellen zu können, begrenzt die Kolbenein- richtung an einem ersten Ende einen Expansionsraum und an einem gegen- überliegenden Ende einen Raum, welcher kein Expansionsraum ist. Dadurch ist es eben möglich, über die Steuerung des Kolbenhubs die Vorrichtung variabel einstellen zu können.

Insbesondere ist dabei die Verdichtung im Expansionsraum über den Linear- trieb einstellbar, um so eine Optimierung des Systems erreichen zu können.

Dadurch läßt sich eben entsprechend ein Betriebspunkt des Systems variabel einstellen.

Insbesondere ist dann der Expansionsraum vor allem hinsichtlich Volumen und Oberfläche einstellbar, um so die entsprechende Anpassung herstellen zu können.

Vorteilhafterweise ist eine Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung vorge- sehen, über die der Lineartrieb so elektrisch ansteuerbar ist, daß ein variabler Kolbenhub einstellbar ist. Diese Einstellung läßt sich insbesondere über eine Steuerung des Stromdurchflusses bei der Statorvorrichtung erzielen. In die- sem Sinne wirkt dann der Lineartrieb auch als Linearmotor, über welchen eben der Kolbenhub und damit die Umkehrpunkte bzw. Totpunkte (OT und UT) der Kolbenbewegung einstellbar sind. Bei einer Mehrzahl von Kolbeneinrichtungen kann jeder eine eigene Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung zugeord- net sein oder eine solche Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung kann mehrere Kolbeneinrichtungen steuern bzw. regeln.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Kolbeneinrichtung einen ersten Kolben und einen fest mit diesem verbundenen gegenüberliegenden zweiten Kolben umfaßt, wobei der erste Kolben den zugeordneten Expansionsraum be- grenzt. Der erste Kolben ist der eigentliche Verdichterkolben, auf den das expandierende Medium, wie beispielsweise expandierende Brenngase, wirkt, um so die Kolbeneinrichtung zu bewegen. Durch den zweiten Kolben wird der erste Kolben abgestützt. Dadurch sind Querkräfte minimiert, das heißt eine Kippung der Kolbeneinrichtung ist verhindert. Damit wiederum ist für eine definierte hochgenaue Linearbewegung gesorgt. Darüber hinaus läßt sich der Aufwand bezüglich der Schmierung zwischen Kolben und Zylinderinnenwand gering halten, da sich aufgrund der Abstützung des Verdichterkolbens durch den anderen Kolben im Kolbenpaar kurze Kolbenhemden realisieren lassen mit entsprechender verringerter Reibungsfläche und dann keine Ölpumpe vorge- sehen werden muß, sondern beispielsweise eine einfache Planschschmierung ausreichend ist. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, für die Kolben selber neben metallischen Materialien auch andere Materialien wie Keramikmateria- lien oder Graphit zu verwenden, da sich eine hochgenaue Führung mit mini- mierten Reibungsverlusten ausbilden läßt, wobei nur noch im wesentlichen reine Druckbelastungen auftreten.

Durch das erfindungsgemäße Konzept kann auch auf die Verwendung einer Zylinderkopfdichtung verzichtet werden, da die Kolbenaufnahme mindestens im Bereich eines Expansionsraums einstückig herstellbar ist.

Zwischen dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben ist eine Läufervorrich- tung angeordnet, welche beispielsweise ein Magnetfeld erzeugt, das bei einer

Relativbewegung gegenüber der Statorvorrichtung zu einer Spannungsinduk- tion führt, wodurch wiederum dann ein Strom an der Vorrichtung abgreifbar ist. Läufervorrichtung und Statorvorrichtung bilden den Lineartrieb, der die kinetische Energie der Kolbeneinrichtung in elektrische Energie wandelt bzw. umgekehrt elektrische Energie in kinetische Energie wandelt.

Es ist auch vorteilhaft, wenn der Nicht-Expansionsraum für eine Kolbenein- richtung als Rückfederraum ausgebildet ist. Über einen solchen Rückfederraum läßt sich mechanische Energie während des Verbrennungsarbeitstaktes auf- nehmen, die nicht vom Lineartrieb ausgekoppelt wird. Die entsprechend ge- speicherte Energie kann beispielsweise bei einem 2-Taktbetrieb zum Verdich- ten eines Brennstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden oder bei einem 4- Taktbetrieb zum Ausstoßen der Abgase.

In dem Rückfederraum ist dabei ein komprimierbares Element und/oder Medium aufgenommen, welches entsprechend die mechanische Energie auf- nimmt und dann wieder abgibt. Bei dem komprimierbaren Element kann es sich um ein mechanisches Element und insbesondere eine Kompressionsfeder handeln.

Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn das komprimierbare Medium ein kom- primierbares Fluid wie beispielsweise Luft ist. Ist es dann vorgesehen, daß der Druck im Rückfederraum einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar ist, dann lassen sich die"elastischen"Eigenschaften dieses Mediums einstellen.

Darüber hinaus läßt sich dann über Steuerung des Drucks in dem Rückfeder- raum eine Pumpenwirkung beispielsweise bezüglich der Kolbeneinrichtung er- zielen, um das Überströmen von Luft zu steuern und/oder zu regeln. Es kann dann angesaugte Luft gesteuert in den Brennraum gepumpt werden.

Es kann auch vorgesehen sein, daß der Druck im Rückfederraum so steuerbar und/oder regelbar ist, daß über diesen eine Vorverdichtungsfunktion erzielbar ist. Dadurch wird die Leistung des Systems erhöht, da eben eine Vorverdich- tung stattfinden kann.

Über einen steuerbaren/regelbaren Rückfederraum läßt sich eine Pumpenfunk- tion, Verdichtungsfunktion oder Saugfunktion realisieren. Diese jeweiligen Funktionen können verwendet werden, um Verbrennungsvorgänge zu steuern oder zu regeln. Sie können aber auch für externe Zwecke verwendet werden wie beispielsweise zur Bremskraftunterstützung beim Einsatz der Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.

Um eine solche Steuerung bzw. Regelung zu ermöglichen, ist der Rückfeder- raum mit mindestens einem steuerbaren Einlaßventil und mindestens einem steuerbaren Auslaßventil für das komprimierbare Medium versehen. Die Ven- tile sind so geschaltet, daß bezüglich der Rückfederungswirkung eine Kompri- mierung ermöglicht ist.

Weiterhin ist es günstig, wenn eine erste Kolbeneinrichtung und eine zweite Kolbeneinrichtung vorgesehen sind, weiche linear beweglich angeordnet sind, wobei die Kolbeneinrichtungen jeweils eine Läufervorrichtung umfassen und an

der Kolbenaufnahme eine der jeweiligen Läufervorrichtung zugeordnete Sta- torvorrichtung angeordnet ist. Insbesondere sind dabei die Kolbeneinrich- tungen gegenläufig kolinear zueinander beweglich. Auf diese Weise läßt sich ein Massenausgleich bei der Bewegung der Kolbeneinrichtungen durchführen, so daß die mechanische Stabilität der Vorrichtung optimierbar ist.

Es ist dann günstig, wenn beiden Kolbeneinrichtungen jeweils ein eigener Expansionsraum zugeordnet ist, um so eben über expandierendes Medium wie beispielsweise Verbrennungsgase beide Kolbeneinrichtungen antreiben zu können.

Weiterhin ist es günstig, wenn der Brennraum zwischen einem Kolben in der jeweiligen Kolbeneinrichtung, welcher der anderen Kolbeneinrichtung abge- wandt ist, und einer dem Kolben zugewandten Kolbenaufnahme gebildet ist.

Dadurch läßt sich für beide Kolbeneinrichtungen ein variabler Kolbenhub ein- stellen, wie er oben beschrieben wurde.

Es kann vorgesehen sein, daß zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen ein weiterer Expansionsraum und insbesondere Brennraum angeordnet ist, wobei dieser weitere Expansionsraum insbesondere synchron mit den beiden äußeren Expansionsräumen betreibbar ist (synchron bedeutet hier im wesentlichen im Gegentakt). Auf diese Weise läßt sich eine Leistungssteigerung erreichen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das oder die Ventile für den Gas- wechsel in einem Expansionsraum über eine Steuerungs-und/oder Regelung- einrichtung steuerbar und/oder regelbar und insbesondere elektrisch steuerbar

und/oder regelbar sind. Dies ermöglicht eine individuelle Einstellung aller Steuerzeiten des Gaswechseis, welche wesentlich beispielsweise Verbren- nungseigenschaften beeinflussen. Diese Steuerung bzw. Regelung, die insbe- sondere über vorgegebene Software-Einstellungen durchführbar ist, ermöglicht es dann, auch bei variablen Anwendungen einen optimalen Betriebspunkt des Gesamtsystems einzustellen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Einlaßventile und/oder Auslaßventile für einen Expansionsraum so angeordnet und so ausgebildet sind, daß eine Gasströmung (Einlaßströmung und/oder Auslaßströmung) im wesentlichen längs einer Expansionskammerwand ausbildbar ist. Dadurch läßt sich insbe- sondere im 2-Taktbetrieb eine Umkehrspülung realisieren, die das Vorsehen von Einlaßschlitzen und Auslaßschlitzen überflüssig macht. Damit wiederum läßt sich die Abgasqualität verbessern und Ölverluste sind minimiert. Durch das erfindungsgemäße Konzept ergibt sich eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Kraftstoffeinbringung in das System. Es lassen sich auch Krafteinspritzsysteme verwenden und insbesondere Direkteinspritzsysteme für die Kraftstoffein- bringung in den oder die Brennräume.

Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist ein Lader vorgese- hen, um den Gaswechsel in einem Expansionsraum oder den Expansions- räumen zu steuern. Es läßt sich dann mit geringem Energieaufwand der Gas- wechsel steuern.

Insbesondere ist dabei der Lader ein Druckwellenlader bzw. ein Comprex- Lader, welcher sich mit geringer Leistung betreiben läßt. Auf diese Weise läßt sich eine Vorverdichtung der Ansaugluft erreichen. Da die erfindungsgemäße

Vorrichtung die Linearbewegung der mindestens einen Kolbeneinrichtung so steuern kann, daß bei allen möglichen Betriebspunkten eine konstante Periode der Oszillation der Kolbenbewegung vorliegt, läßt sich ein Druckwellenlader, welcher auf konstante Perioden mit geringer Periodenspreizung angewiesen ist, einsetzen.

Insbesondere ist der Lader dabei mit einem oder mehreren Expansionsräumen für die jeweiligen Kolbeneinrichtungen verbunden, um einen entsprechend synchronisierten Gaswechsel bezüglich der Expansionsräume durchführen zu können.

Bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform sind die Kolbeneinrichtungen über Planschschmierung geschmiert.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Heizvorrichtung zur Vorheizung vorge- sehen ist. Dadurch können bei einem Kaltstart, bei dem Reibungsverluste auf- treten, die Abgasqualität verschlechtert ist und erhöhter Verschleiß auftritt, die erwähnten Probleme verringert werden.

Insbesondere sind dabei Wicklungen der Statorvorrichtung als Heizelemente eingesetzt, so daß hierzu kein erhöhter konstruktiver Aufwand nötig ist.

Vorteilhafterweise umfaßt die Läufervorrichtung eine Mehrzahl von Magnet- elementen, welchen ein oder mehrere Flußleitelemente zugeordnet sind und insbesondere zwischen welchen jeweils ein Flußleitelement angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich die Feldlinien von benachbarten Magnetelementen

konzentrieren, wodurch wiederum die Leistungsdichte des Systems der Läu- fervorrichtung optimierbar ist, das heißt hohe Werte annehmen kann. Es las- sen sich dann auch kostengünstige Magneteiemente mit geringer Remanenz- induktion einsetzen, um trotzdem noch eine hohe Leistungsdichte zu erzielen.

Auf konstruktiv einfache Weise läßt sich die Läufervorrichtung ausbilden, wenn die Magnetelemente und die Flußleitelemente auf einer Kolbenstange sitzen, wobei diese Kolbenstange dann die beiden Kolben des Kolbenpaares einer Flußleiteinrichtung verbinden.

Weiterhin ist es günstig, wenn die Magnetelemente und die Flußleitelemente rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse der Kolbenstange ausgebildet sind, um so eine definierte Induktionsspannung zu erzeugen.

Günstigerweise sind die Magnetelemente und die Flußleitelemente alternierend angeordnet, um hohe Induktionsspannungen während der Bewegung der Läufervorrichtung relativ zu der Statorvorrichtung erzeugen zu können.

Die Flußleitelemente sind aus einem magnetisch leitfähigen Material wie Eisen oder einem magnetisch leitfähigen Pulververbundwerkstoff gefertigt. Durch sie sind die Feldlinien der benachbarten Magnetelemente konzentrierbar, so daß diese als"Feldliniensammler"wirken.

Bei den Magnetelementen kann es sich um Permanentmagnetelemente han- deln oder um Elektromagnetelemente. Bei dem Vorsehen von Elektromagnet- elementen muß die Energie zum Betrieb dieser Elemente auf die Läufervor- richtung übertragen werden. Dies kann beispielsweise induktiv oder über Schleifringe erfolgen.

Es ist grundsätzlich auch möglich, die Läufervorrichtung bei einer asynchronen Betriebsweise mit Kurzschlußringen auszustatten, wobei dann diese Funk- tionsweise derjenigen einer Asynchronmaschine entspricht. Es kann weiterhin auch vorgesehen sein, daß die Läufervorrichtung mit einer Zahnstruktur be- züglich einer der Statorvorrichtung zugewandten Oberfläche versehen ist, oder eine solche Zahnstruktur aufweist, so daß über entsprechende unterschiedliche magnetische Widerstände (Reluktanz) des so gebildeten Magnetkreises in den Spulen der Statorvorrichtung durch phasenrichtiges Schalten oder Spulen eine Spannung induziert wird. Zur Verstärkung der entsprechenden Kräfte können zudem noch Permanentmagnete eingesetzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform haben die Statorvorrichtung und Läu- fervorrichtung unterschiedliche Polteilungen, so daß die Kraftbildung des Lineartriebs nicht auf den Grundwellen des Statorstrombelags und Läuferfeldes beruht, sondern die Oberwellen des Strombelags mit der Grundwelle des Läu- ferfeldes die Hauptkraftwirkung erzeugen. Damit können die Querschnitte von Rückschlußjochen kleiner dimensioniert werden. Außerdem läßt sich damit die Leistungsdichte des Systems deutlich steigern, da es mit höheren Frequenzen, beispielsweise in der Größenordnung 500 Hz oder höher, betrieben werden kann.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß zusätzliche Nebenwicklungen vorgesehen sind, mit denen elektrische Energie auskoppelbar ist. Über diese Nebenwick- lungen, die an einen gegebenen Energiebedarf und einen gegebenen Spannungspegel angepaßt sind, läßt sich beispielsweise ein Bordnetz eines

Kraftfahrzeuges mit Strom versorgen. Der entsprechende Aufwand zur Aus- kopplung eines entsprechendes Stromes ist gering, wobei vorteilhafterweise den Nebenwicklungen ein Gleichrichter nachgeordnet ist, um einen gleich- gerichteten Strom zu erzeugen.

Der Lineartrieb kann einphasig oder mehrphasig aufgebaut sein.

Um eine Induktionsspannung zu erzeugen, umfaßt eine Statorvorrichtung um die Kolbenaufnahme Wicklungen und insbesondere umlaufende Haupt-Ring- wicklungen. Ringwicklungen lassen sich dabei besonders einfach wickeln. In den Wicklungen in der Statorvorrichtung wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Statorvorrichtung und der Läufervorrichtung eine Spannung in- duziert. Durch die Haupt-Ringwicklungen wird dabei die elektrische Energie vollständig oder zu einem Großteil ausgekoppelt bzw. eingekoppelt.

Günstigerweise ist eine Synchronisierungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher die Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen synchronisierbar ist.

Dadurch läßt sich mit hoher Genauigkeit eine Gegenläufigkeit der beiden Kolbeneinrichtungen einstellen, um so auch mit hoher Genauigkeit einen Massenausgleich zu erzielen.

Insbesondere umfaßt dann die Synchronisierungsvorrichtung Nebenwicklungen an der Kolbenaufnahme, deren Stromdurchfluß individuell steuerbar ist. Wird dann eine Asynchronität der beiden Kolbeneinrichtungen detektiert, dann kann durch entsprechende Steuerung des Stromdurchflusses der zu schnell laufende

Kolben abgebremst werden und/oder der zu langsam laufende Kolben be- schleunigt werden. Bei einer synchronen Bewegung können diese Nebenwick- lungen dazu genutzt werden, um beispielsweise elektrische Energie für ein Bordnetz abzuzweigen. Die Nebenwicklungen lassen sich auch für Diagnose- zwecke einsetzen. Damit kann beispielsweise die Kraftstoffeinbringung ge- steuert werden, um einen synchronen Lauf bei zwei oder mehreren Kolben- einrichtungen zu erreichen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß die Synchronisierungsvorrichtung Neben- wicklungen an der Kolbenaufnahme umfaßt, welche den jeweiligen Kolbenein- richtungen zugeordnet sind und elektrisch miteinander verbunden sind, so daß ein Ausgleichsstrom zwischen den Nebenwicklungen fließen kann. Über diesen Ausgleichsstrom wird automatisch die Synchronisierung der beiden Kolbenein- richtungen geregelt : Bewegen diese sich synchron, so fließt kein Strom. Be- wegen diese sich asynchron, dann bewirkt der erzeugte Ausgleichsstrom eine Abbremsung der sich zu schnell bewegenden Kolbeneinrichtung und eine Be- schleunigung der zu langsam laufenden Kolbeneinrichtung.

Insbesondere ist der Stromfluß elektrisch steuerbar, so daß beispielsweise ein Schwellenwert einstellbar ist, bei dessen Überschreiten ein Synchronisierungs- vorgang durchzuführen ist.

Zur Unterstützung der Synchronisierung der beiden Kolbeneinrichtungen kann es vorgesehen sein, daß die Position einer Kolbeneinrichtung im Zylinder durch eine Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung aus der in der Statorvor- richtung induzierten Spannung detektiert wird. Dadurch läßt sich unabhängig

von einem Ausgleichsstrom die jeweilige Position der Kolbeneinrichtung detek- tieren, um so beispielsweise auch die Bewegung dieser Kolbeneinrichtungen zu überwachen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Schmiervorrichtung für eine Kolbenein- richtung so ausgebildet ist, daß die zugeordnete Läufervorrichtung mit dem Schmieröl kühlbar ist. Dadurch ist der konstruktive Aufwand für die Kühlung der Läufervorrichtung minimiert.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn um die Statorvorrichtung und/oder die Kol- benaufnahme, insbesondere im Bereich eines Expansionsraums, Kühlkanäle angeordnet sind. Über eine entsprechende Kühlvorrichtung, welche diese Kühl- kanäle umfaßt, lassen sich dann die aktiven Bauteile der Vorrichtung kühlen.

Es kann dann aber auch über die Kühlvorrichtung nutzbare Wärme ausgekoppelt werden, welche dann wärmetechnischen Anwendungen wie bei- spielsweise der Fahrzeugheizung oder einem Blockheizkraftwerk zuführbar ist.

Dadurch wiederum wird der effektive Gesamtwirkungsgrad des Systems er- höht.

Es kann vorgesehen sein, daß ein Expansionsraum als Brennraum ausgebildet ist. In einem solchen Brennraum expandieren dann Brenngase. Die Brenngase selber wiederum können in dem Brennraum entstehen, indem dort Verbren- nungsvorgänge stattfinden, oder können extern erzeugt werden und dann in den Brennraum eingekoppelt werden.

Es ist auch möglich, daß in dem Expansionsraum sich ein Wärmeträgermedium wie Dampf entspannt.

Dieses Wärmeträgermedium wird vorzugsweise außerhalb des Expansions- raums erzeugt bzw. es wird dem Wärmeträgermedium außerhalb des Expan- sionsraums Energie zugeführt. Beispielsweise wird Heißdampf in einen Expan- sionsraum eingekoppelt ; der Dampf kann sich dort entspannen und eine Linearbewegung der Kolbeneinrichtung bewirken. Daraus wiederum läßt sich Strom gewinnen. Die Wärmeerzeugung und Druckerhöhung findet dabei außerhalb des Expansionsraums statt. Zur Erzeugung des Wärmeträger- mediums bzw. zur Erhitzung des Wärmeträgermediums können verschiedene Verfahren eingesetzt werden ; beispielsweise kann eine Erhitzung über kon- zentrierte Solarstrahlung erfolgen, wobei die Solarstrahlung über Solarkollek- toren konzentriert wird. Es kann auch eine Erhitzung bzw. Wärmeübertragung über die Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe statt- finden. Das erhitzte Wärmeträgermedium kann in einem Druckkessel zwischengespeichert werden. Erfindungsgemäß läßt sich dadurch eine Frei- kolben-Dampfmaschine ausbilden, welche im Vergleich zu klassischen Dampf- maschinen einen höheren elektrischen Wirkungsgrad aufweist. Beim Einsatz von beispielsweise Dampf als in dem Expansionsraum expandierendes Medium sind Schmierungsprobleme für die sich bewegende Kolbeneinrichtung ver- ringert, da sich insbesondere eine Wasserschmierung der Kolbeneinrichtung verwenden läßt.

Günstig ist es, wenn eine Rückkühlungseinrichtung von aus dem Expansions- raum abgeführten Medium vorgesehen ist. Dadurch läßt sich ein Kreislauf für das Wärmeträgermedium bezüglich der Zuführung zu der Freikolbenvorrich- tung und der Abführung von der Freikolbenvorrichtung realisieren.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zu- sammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen : Figur 1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung mit elektrischem Lineartrieb, welche als Freikolben-Verbrennungsvorrichtung aus- gebildet ist ; Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung ; Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung ; Figur 4 schematisch eine Brennkammer ; Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung ; Figur 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung und Figur 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor- richtung, welche als Freikolben-Dampfmaschine ausgebildet ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung (Freikolben-Verbrennungsvorrichtung) mit elektrischem Lineartrieb, welche in Figur 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt als Kolbenaufnahme 12 einen Zylinder mit einem Zylindergehäuse 14, in dessen Innenraum 16 eine erste Kolbeneinrichtung 18 und eine zu dieser ersten Kolbeneinrichtung 18 beab- standete zweite Kolbeneinrichtung 20 linear verschieblich sind.

Die beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 sind dabei zumindest bezüglich ihrer äußeren Gestalt im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 22 des Zylinders 12 ausgebildet. Die Achsen der beiden Kol- beneinrichtungen 18 und 20 fallen mit der Symmetrieachse 22 zusammen.

Die erste Kolbeneinrichtung 18 umfaßt einen ersten Kolben 24a und einen be- abstandet zu diesem ersten Kolben angeordneten zweiten Kolben 24b, wobei diese beiden Kolben 24a und 24b über eine Kolbenstange 26 fest und insbe- sondere starr miteinander verbunden sind. Dadurch ist ein Kolbenpaar ge- bildet.

Die zweite Kolbeneinrichtung 20 ist gleich aufgebaut mit einem ersten Kolben 28a, einem zweiten Kolben 28b und einer Kolbenstange 30, welche zwischen diesen beiden Kolben 28a und 28b angeordnet ist.

Der zweite Kolben 24b der ersten Kolbeneinrichtung 18 ist dem zweiten Kolben 28b der zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugewandt angeordnet. Der erste Kolben 24a der ersten Kolbeneinrichtung 18 ist einer stirnseitigen Wand 32 des

Zylinders 12 zugewandt angeordnet, während der erste Kolben 28a der zwei- ten Kolbeneinrichtung 20 einer der stirnseitigen Wand 32 des Zylinders 12 gegenüberliegenden Wand 34 zugewandt ist.

Zwischen den jeweiligen ersten Kolben 24a, 28a der beiden Kolbeneinrich- tungen 18,20 und der zugewandten Zylinderwand 32 bzw. 34 ist als Expan- sionskammer eine Brennkammer mit Brennraum 36,38 gebildet, in welcher Brenngase expandierbar sind, um die zugeordnete Kolbeneinrichtung (für den Brennraum 36 die erste Kolbeneinrichtung 18 und für den Brennraum 38 die zweite Kolbeneinrichtung 20) anzutreiben.

Die Abmessungen der jeweiligen Brennkammern mit Brennräumen 36 und 38 sind dabei durch den Kolbenhub der jeweiligen Kolbeneinrichtungen 18 und 20 bestimmt, das heißt insbesondere Volumen und Oberfläche sind durch den Umkehrpunkt der Kolbenbewegung der ersten Kolben 24a bzw. 28a bestimmt.

Die Freikolben-Verbrennungsvorrichtung umfaßt einen als Ganzes mit 40 be- zeichneten elektrischen Lineartrieb, welcher einen ersten Teil 42 umfaßt, welcher der ersten Kolbeneinrichtung 18 zugeordnet ist und einen zweiten Teil 44 umfaßt, welcher der zweiten Kolbeneinrichtung 20 zugeordnet ist.

Der entsprechende Teil 42 bzw. 44 des elektrischen Lineartriebs 40 wiederum umfaßt eine Läufervorrichtung 46, welche an der jeweiligen Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 angeordnet ist. Diese Läufervorrichtung 46 wird mit der Kolbenein- richtung 18 bzw. 20 bewegt. Über eine Statorvorrichtung 48, welche an dem Zylinder 12 außerhalb des Zylindergehäuses 14 angeordnet ist und jeweils der

Läufervorrichtung 46 der ersten Kolbeneinrichtung 18 bzw. zweiten Kolbenein- richtung 20 zugeordnet ist, lassen sich dann Spannungen induzieren, um so elektrische Energie zu generieren.

Die Läufervorrichtung 46 umfaßt Magnetelemente 50 und Flußleitelemente 52, welche auf der zugeordneten Kolbenstange 26 bzw. 30 alternierend ange- ordnet sind.

Bei den Magnetelementen 50 kann es sich um Permanentmagnetelemente handeln, die insbesondere scheibenförmig rotationssymmetrisch um die Achse 22 ausgebildet sind. Es kann sich dabei auch um Elektromagnetelemente han- deln, die entsprechende insbesondere konzentrisch um die Achse 22 angeord- nete Windungen umfassen. Es muß dann eine entsprechende Vorrichtung vor- gesehen werden, um zu diesen Elektromagneten Energie übertragen zu können. Dies kann beispielsweise induktiv erfolgen oder über Schleifringe.

Ein Flußleitelement 52 ist ebenfalls scheibenförmig hergestellt und aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit hergestellt. Verwendbar sind bei- spielsweise Eisen oder magnetisch leitfähige Pulververbundwerkstoffe.

Vorzugsweise sind die Magnetelemente 50, insbesondere wenn es sich um Permanentmagnete handelt, und die Flußleitelemente 52 so ausgebildet, daß sie eine Zentralöffnung aufweisen, mit welcher sie bei der Herstellung er ent- sprechenden Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 auf die zugeordnete Kolbenstange 26 bzw. 30 aufschiebbar sind.

Die Magnetelemente 50 sind so ausgebildet und insbesondere so magnetisiert, daß in einem Flußleitelement 52 die Feldlinien der benachbarten Magnet- elemente 50 konzentriert werden, um somit die Leistungsdichte des Systems zu erhöhen. Insbesondere sind die Magnetelemente 50 derart parallel ange- ordnet, daß gleiche Pole einander zuweisen.

Es kann auch vorgesehen sein, daß eine Außenfläche der jeweiligen Läufervor- richtung 46 so ausgebildet ist, daß sie in einem die Achse 22 umfassenden Querschnitt eine einer Zylinderwand zuweisende Innenseite zahnförmig ausge- staltet ist. Die Läufervorrichtung 46 weist durch eine solche Zahnstruktur wechselnde magnetische Leitfähigkeiten auf, so daß hierüber ein Vortrieb für eine Kolbeneinrichtung erzeugbar ist.

Die Statorvorrichtung 48 umfaßt Haupt-Ringwicklungen 54, welche um eine Außenwand des Zylinders 12 angeordnet ist. In diesen Ringwicklungen wird bei relativer Bewegung der magnetisierten Läufervorrichtung 46 eine Spannung induziert, wodurch elektrische Energie auskoppelbar ist. Es ist dann eine Stromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt, welche auf dem Prinzip der Frei- kolbenführung (lineare Beweglichkeit der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20) beruht.

Der Hub der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ist steuerbar und/oder regelbar über eine Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56. Es läßt sich dabei insbesondere eine derartige Steuerung/Regelung durchführen, daß zu jedem Zeitpunkt der Ort der Kolbeneinrichtungen 18,20 festgelegt ist. Da- durch läßt sich nach Bedarf der Umkehrpunkt der Kolbenbewegung des ersten

Kolbens 24a bzw. 28a einstellen, um so wiederum die Abmessungen der je- weiligen Brennkammern 36 und 38 einstellen zu können. Durch eine entspre- chende Steuerung/Regelung des Lineartriebs 40 kann damit der Kolbenhub in Abhängigkeit des Lastzustandes eingestellt werden, die Verdichtung eingestellt werden und die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtungen 18,20 eingestellt werden, und so je nach Lastzustand die Brennkammer 36 bzw. 38 optimiert eingestellt werden. Insbesondere kann dann auch das Volumen der Brenn- räume 36,38 und die jeweiligen Oberflächen dieser Brennräume 36 und 38 an die Anwendung angepaßt werden. Über diese örtlich-zeitliche Einstellung des Kolbenhubs (Position, Verdichtung, Geschwindigkeit) kann auch eine Anpas- sung an den Brennstoff durchgeführt werden, das heißt es kann eine Kolben- hubstrecke und Verdichtung eingestellt werden, je nachdem ob beispielsweise Diesel oder Pflanzenöl (Dieselprinzip) oder Benzin, Erdgas oder Wasserstoff (Otto-Prinzip) als Brennstoff eingesetzt wird. (Die erforderlichen Zündeinrich- tungen sind in der Zeichnung nicht gezeigt.) Durch eine gezielte Vorgabe von Strömen in der Statorvorrichtung 48 und ge- gebenenfalls in der Läufervorrichtung 46, das heißt durch Steuerung und/oder Regelung dieser Ströme läßt sich somit die zugeordnete Kolbeneinrichtung 18 bzw. 20 in ihrer Linearverschieblichkeit beeinflussen, um den Ort der Umkehr- punkte der Kolbenbewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18,20 bei den außenliegenden Brennräumen 36 und 38 genau festlegen zu können.

Dadurch läßt sich beispielsweise bei Vollast, bei der eine große Ansaugmenge an Luft für die Brennräume 36 und 38 erforderlich ist, ein entsprechend großer Kolbenhub einstellen, während bei Teillastbetrieb mit reduziertem Ansaug- volumen ein verringerter Hub einstellbar ist.

Die beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 sind so angeordnet und ausgebil- det, daß diese gegenläufig sind. Zwischen ihren zweiten Kolben 24b und 28b ist ein Rückfederraum 58 gebildet, in dem ein elastisches Element oder ein kompressibles Medium aufgenommen ist.

Beispielsweise kann in dem Rückfederraum 58 eine Kompressionsfeder ange- ordnet sein, welche die Energie zumindest teilweise aufnimmt, die während eines Verbrennungsarbeitstaktes nicht von dem Lineartrieb 40 ausgekoppelt wurde. Diese gespeicherte Energie kann zum Verdichten des Brennstoff-Luft- Gemisches bei einem 2-Takt-Betrieb oder zum Ausstoßen der Abgase bei einem 4-Takt-Betrieb verwendet werden.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß in dem Rückfederraum ein kom- pressibles Fluid und insbesondere Gas wie Luft aufgenommen ist, welches eben die Energie aufnimmt und wieder abgibt.

Es ist dabei vorgesehen, daß der Druck in dem Rückfederraum 58 über ein oder mehrere Ventile 60 steuerbar und/oder regelbar ist. Die Steuerung und/oder Regelung des oder der Ventile 60 erfolgt dabei vorzugsweise über die Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56. Ein solcher Rückfederraum 58, in welchem der Druck steuerbar ist, läßt sich auch dazu verwenden, eine Pumpe bezüglich der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 auszubilden.

Durch entsprechende Ventile 100 und 102 (siehe Figur 2) läßt sich eingesaugte Luft gesteuert in die Brennräume 36 und 38 pumpen. Bei entsprechend zeitge- steuertem Schließen der Ventile 100 und 102, das heißt Abkopplung von der

Umgebung kann die Rückfederfunktion (Energiespeicherfunktion) gewährlei- stet werden. Diese Steuerung erfolgt dann über die Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56 synchron mit der Taktung der Verbrennung in den Brennräumen 36 und 38 (vergleiche Figur 2 mit den dortigen Brennräumen 36' und 38').

Jeder Brennraum 36,38 ist mit einem elektrisch steuerbaren Auslaßventil 62 und einem insbesondere elektrisch steuerbaren Einlaßventil 64 versehen, wo- bei eine entsprechende Steuerung über die Steuerungs-und/oder Regelung- einrichtung 56 erfolgt. Dadurch läßt sich das Ansaugen von Brennraumgasen und das Abführen von Verbrennungsprodukten zeitlich gezielt steuern und ins- besondere synchronisiert steuern beispielsweise im Zusammenhang mit der elektrischen Ansteuerung des Lineartriebs 40 über eine entsprechende elek- trische Ansteuerungsvorrichtung 66 und einer eventuellen Pumpenfunktion des Rückfederraums 58.

Eine in den entsprechenden Brennraum 38 führende Saugleitung 68 ist mit einem Lader 70 verbunden. Über ein Einlaßventil 64 ist diese Saugleitung 68 an den Brennraum 38 gekoppelt.

Über das Auslaßventil 62 führt eine Abgasleitung 72 zu dem Lader 70. Dieser selber. weist eine Zuführung 74 für Ansaugluft auf und eine Abführung 76 für Abgase auf.

Eine entsprechende Abgasleitung 78 und eine entsprechende Saugleitung 80 führt von dem Lader 70 zu dem anderen Brennraum 36, wobei die Einkopplung

bzw. Auskopplung dort auf die gleiche Weise ausgebildet ist wie anhand des anderen Brennraums 38 beschrieben.

Bei dem Lader 70 handelt es sich insbesondere um einen Druckwellenlader (Comprex-Lader), bei dem die Energie des Abgasstromes von den Brenn- räumen 36 und 38 genutzt wird, um die Ladeluft (angesaugte Luft) zu ver- dichten. Bei einem solchen Druckwellenlader saugen Druckwellen und Saug- wellen der pulsierenden Abgase Frischluft an und verdichten diese. Diese Ver- dichtung erfolgt dabei in direkter Berührung mit den Abgasen.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich eine konstant oszillierende Verschiebungsbewegung und insbesondere kolinear gegenläufige Verschie- bungsbewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ausbilden. Da- durch wiederum läßt sich eine konstante Oszillation der abgeführten Abgase erreichen, so daß der Gaswechsel über einen Lader steuerbar und/oder regel- bar ist. Der Vorteil eines Comprex-Laders ist, daß er nur einen sehr geringen Eigenenergieaufwand aufweist.

Das Gesamtsystem des Laders 70 und bewegliche Kolbeneinrichtungen 18 und 20 mit ihren jeweiligen Brennräumen 36 und 38 läßt sich aufgrund der kon- stanten Periodendauer für die oszillierende Bewegung dieser Kolbeneinrich- tungen 18 und 20 genau auf einen optimalen Betriebspunkt auslegen, auf den wiederum der Lader 70 ausgelegt sein kann.

Ist ein Lader 70 vorhanden, dann ist die oben beschriebene Variante, bei welcher der Rückfederraum 58 als Pumpe eingesetzt wird, nicht verwirklicht.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß um den Zylinder jeweils den beiden Kolbeneinrichtungen 18,20 zugeordnet eine oder mehrere Nebenwicklungen 82 sitzen. Diese sind elektrisch getrennt von den Haupt-Ringwicklungen 54 der jeweiligen Statorvorrichtung 48. Die Nebenwicklungen 82 sind dabei beispiels- weise um die Haupt-Ringwicklungen 54 angeordnet oder neben dieser liegend (in axialer Verlängerung einer Ringwicklungsachse der Haupt-Ringwicklungen 54).

Über solche Nebenwicklungen 82 läßt sich ein weiterer Strom auskoppeln, um beispielsweise eine 12V/14V-oder ein 36V/42V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit Strom zu versorgen. Entsprechend ist die Windungsanzahl angepaßt. Vor- zugsweise ist solchen Nebenwicklungen 82 ein Gleichrichter nachgeschaltet, um entsprechend einen gleichgerichteten Strom erzeugen zu können.

Über Nebenwicklungen 82 (es kann sich dabei um die gleichen Nebenwick- lungen handeln, welche zur Auskopplung eines zusätzlichen Stromes dient oder um eine getrennt von dieser vorgesehene) läßt sich mittels einer Syn- chronisierungsvorrichtung eine Synchronisierung der beiden Kolbeneinrich- tungen 18,20 in ihrer Linearbewegung im Zylinder 12 realisieren. Die Syn- chronisierungsvorrichtung ist dabei zumindest bezüglich ihres Steuerungs-und Regelungsteils von der Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56 um- faßt.

Durch gezieltes Einschalten und Ausschalten der Nebenwicklungen 82 läßt sich je nach Lage der zugeordneten Kolbeneinrichtungen 18 und 20 ein Strom er- zeugen bzw. beaufschlagen, über welchen die zugeordnete Kolbeneinrichtung

18 bzw. 20 abbremsbar bzw. beschleunigbar ist. Dadurch läßt sich eine Asyn- chronität in der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18,20 ausgleichen, indem insbesondere die zu schnell laufende Kolbeneinrichtung abgebremst wird.

Beim Synchronlauf können diese Nebenwicklungen 82 dann zur Erzeugung von Strom eingesetzt werden.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die jeweiligen Nebenwicklungen 82, welche den beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 zugewandt sind, elek- trisch miteinander verbunden sind. Dies ist in Figur 1 durch das Bezugszeichen 84 angedeutet. Es kann dann ein Ausgleichsstrom zwischen den jeweiligen Nebenwicklungen 82 fließen, welcher selbstregelnd die Bewegungen der bei- den Kolbeneinrichtungen 18 und 20 synchronisiert. Dabei wird die schnellere Kolbeneinrichtung abgebremst und die langsamere beschleunigt. Ein Schwel- lenwert für diesen Ausgleichsstrom selber kann beispielsweise über die Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56 vorgegeben werden.

Es kann noch vorgesehen sein, daß um die Statorvorrichtung 48 eine Kühl- kanäle 88 umfassende Kühlvorrichtung 86 angeordnet ist, um die aktiven Komponenten der Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit Lineartrieb 10 zu kühlen ; zu diesen aktiven Komponenten gehören insbesondere die Kolben- einrichtungen 18,20, der Zylinder 12 und die Haupt-Ringwicklungen 54.

Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß aus der entsprechenden Kühlvor- richtung 86 Wärme ausgekoppelt wird, und diese in wärmetechnischen An- wendungen zum Beispiel für eine Fahrzeugheizung oder für ein Blockheiz- kraftwerk genutzt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert wie folgt : Über den Lineartrieb 40 werden durch entsprechende Strombeaufschlagung bestimmte Umkehrpunkte (UT und OT) der beiden Kolbeneinrichtungen 18,20 eingestellt, um somit das Volumen und die Oberfläche der jeweiligen Brenn- räume 36 und 38 festzulegen. Weiterhin wird die Geschwindigkeit der Kol- beneinrichtungen 18,20 festgelegt und insgesamt die Verdichtung. Diese Ein- stellung erfolgt in Abhängigkeit von der Last (Teillast oder Vollast), von dem Brennstoff (Benzin, Erdgas, Wasserstoff, Diesel, Pflanzenöl usw. ) und even- tuellen weiteren externen Parametern.

Es kann vorgesehen sein, daß für den Start der Vorrichtung eine elektrische Vorheizung erfolgt und auch das Kühlwasser der Kühleinrichtung 86 vorgeheizt wird. Diese Vorheizung kann dabei über den Lineartrieb 40 erfolgen, indem entsprechende Wicklungen, beispielsweise die Haupt-Ringwicklungen 54 als Heizelemente verwendet werden. Es können aber auch eigene Heizspule vor- gesehen sein.

Durch die Kolbenpaare 24a, 24b bzw. 28a, 28b der beiden Kolbeneinrichtun- gen 18 und 20 ist für jede Kolbeneinrichtung 18,20 eine Abstützung erreicht, das heißt die Kolben 24a, 24b bzw. 28a, 28b der Kolbenpaare lassen sich im wesentlichen verkippungsfrei linear führen.

Darüber hinaus dienen die Kolben 24b und 28b auch zur Abdichtung gegen- über dem Rückfederraum 58. Durch den als Lineartrieb sind die Umkehrpunkte der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 (örtlich und zeitlich)

genau vorgebbar, und somit ist im Teillastbetrieb für die Luftzuführung auch keine Drosselklappe notwendig, die sonst für Drosselverluste verantwortlich ist.

Durch die Ventile 62 und 64 für die jeweiligen Brennräume 36,38 läßt sich das Ansaugen von Luft und das Abführen der Abgase gezielt steuern. Dadurch läßt sich die Effizienz des Gesamtsystems verbessern und die Abgasqualität ver- bessern ; durch genaue Einstellung der Steuerzeiten über Zeitpunkte und der Dauer hinsichtlich des Gaswechsels (Durchströmung durch die Ventile 62,64) kann eine genaue Anpassung zwischen den einzelnen zeitkritischen Vorgängen stattfinden. Da auch die Geschwindigkeit der Kolbeneinrichtungen steuerbar bzw. regelbar ist, und zwar auch während des Expansionsvorgangs, ist die Entstehung von Abgasen beeinflußbar.

Insbesondere ist dabei das Einlaßventil 64 so angeordnet und ausgebildet, daß angesaugte Luft und resultierende Gasströme längs inneren Zylinderwänden entlanggeführt werden, um so einen optimierten Spülvorgang für den Gas- wechsel zu erhalten (siehe Figur 4). Dazu weist beispielsweise das Einlaßventil 64 einen entsprechend ausgestalteten Führungsteller 88 auf, welcher für eine solche Entlangströmung sorgt. Dies wird insbesondere im 2-Takt-Betrieb be- nötigt, um eine Umkehrspülung im Brennraum zu erreichen.

Das Ansaugen und Verdichten von Luft und das Ausstoßen von Abgasen wird vorzugsweise über einen Druckwellenlader 70 durchgeführt.

Während der Bewegung der Kolbeneinrichtungen 18,20 wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Läufervorrichtung 46 und der Statorvorrichtung

48 in letzterer eine Spannung induziert, so daß elektrische Energie generiert wird (das heißt mechanische Energie teilweise in elektrische Energie umge- wandelt wird, wobei wiederum die mechanische Energie aus einer teilweisen Umwandlung in chemische Energie aufgrund der Verbrennung herrührt).

Durch den Rückfederraum 58 kann Energie aufgenommen werden, die wäh- rend des Verbrennungs-Arbeitstaktes nicht vom Lineartrieb 40 ausgekoppelt wird.

Die Statorvorrichtung 48 ist über die Kühlvorrichtung 86 gekühlt. Die Kühlvor- richtung 86 kühlt dabei auch weitere Teile des Zylinders 12 und beispielsweise die Kolbeneinrichtungen 18 und 20.

Die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b sind beispielsweise über eine einfache Plan- schschmierung geschmiert, das heißt es ist keine Ölpumpe erforderlich. Die Kolben bewegen sich dann in einem Ölbad, welches durch die Bewegung durcheinandergewirbelt wird, um eine ausreichende Schmierölversorgung zu gewährleisten.

Die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b lassen sich mit einer minimierten dem Zylinder 12 zugewandten Seitenfläche herstellen, das heißt die Kolbenhemden lassen sich kurz ausgestalten, da entsprechend Kolbenpaare mit gegenseitiger Ab- stützungswirkung vorgesehen sind. Dadurch lassen sich Reibungsverluste bei der Bewegung der beiden Kolbeneinrichtungen 18 und 20 minimieren.

Dadurch wiederum lassen sich die Kolben 24a, 24b, 28a, 28b auch aus nicht- metallischen Werkstoffen wie Keramikwerkstoffen oder aus Graphit oder bei- spielsweise Glaskohlenstoff herstellen. Solche Kolben können ohne Schmierung auskommen. Diese Ausbildung ist deshalb möglich, da durch die gegenseitige Abstützung der Kolbenpaare im wesentlichen keine Querkräfte auftreten.

Durch die erfindungsgemäße Läufervorrichtung 46 mit alternierend angeord- neten Magnetelementen 50 und Flußleitelementen 52 läßt sich eine hohe Lei- stungsdichte des Systems erreichen, ohne daß Magnete mit hoher Remanenz- induktion eingesetzt werden müssen. Insbesondere lassen sich hohe Leistungsdichten erzielen, wenn die Polteilung in der Läufervorrichtung und der Statorvorrichtung unterschiedlich ist.

Der Lineartrieb 40 selber kann einphasig, zweiphasig, dreiphasig oder multi- phasig aufgebaut sein.

Die Haupt-Ringwicklungen 54 der entsprechenden Statorvorrichtung 48 können beispielsweise in Eisenpakete eingebettet sein, um eine Feldführung zu erreichen.

Durch die Synchronisierungsvorrichtung lassen sich die beiden gegenläufig beweglichen Kolbeneinrichtungen 18, 20 miteinander synchronisieren, wobei über einen Ausgleichsstrom insbesondere eine Selbstregelung durchführbar ist.

Es kann weiterhin auch noch vorgesehen sein, daß über die induzierte Span- nung die Steuerungs-und/oder Regelungseinrichtung 56 eine Positionsinfor- mation der beiden Kolbeneinrichtungen 18, 20 auswertet ; diese Auswertung

ist eine Auswertung der relativen Lage der Läufervorrichtung 46 zu der zuge- ordneten Statorvorrichtung 48. Beispielsweise können diese Detektionsergeb- nisse dann zur Verbesserung der Synchronisierung der beiden Kolbeneinrich- tungen 18 und 20 verwendet werden. Durch das Vorsehen zusätzlicher Wick- lungen bei der Statorvorrichtung 48 läßt sich die Genauigkeit der Positions- ermittlung erhöhen.

Die erfindungsgemäße Freikolben-Verbrennungsvorrichtung läßt sich bei- spielsweise im 2-Taktbetrieb oder 4-Taktbetrieb betreiben.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 2 als Ganzes mit 90 bezeichnet ist, ist anstatt eines Laders 70 eine Überströmungsführung 92 vor- gesehen. Der Zylinder 12 selber ist dabei grundsätzlich ausgebildet wie oben beschrieben, so daß gleiche Teile das gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 aufweisen, jedoch mit einem Strich versehen.

Ein entsprechender Rückfederraum 94 ist dabei an einen Saugkanal 96 und einen Saugkanal 98 über entsprechende Ventile 100 und 102 gekoppelt, so daß über diesen Luft in die entsprechenden Brennräume 36'und 38'einsaug- bar ist. Das Volumen des Rückfederraums 94 ist dabei größer als das Gesamt- volumen der beiden Brennräume 36', 38'zusammen, um eine Vorverdichtung der Ansaugluft zu erreichen.

Ansonsten funktioniert die Vorrichtung 90 genauso wie oben beschrieben.

In den Rückfederraum 94, welcher eine Pumpenfunktion hat, kann angesaugte Luft vorverdichtet werden, bevor sie in die Brennräume 36'und 38'gepumpt wird.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 3 als Ganzes mit 104 bezeichnet ist, ist wiederum ein Zylinder 106 vorgesehen, in welchem wie- derum zwei Kolbeneinrichtungen 108 und 110 linearverschieblich geführt sind.

Diese sind dabei so ausgebildet, wie bereits oben beschrieben, mit jeweiligen Kolbenpaaren 112a, 112b und 114a, 114b. Die Kolben 112a und 114a sind einer stirnseitigen jeweiligen Zylinderwand 116 und 118 jeweils zugewandt angeordnet, während die beiden Kolben 112b und 114b einander zuweisen.

Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 10 und 90 ist dabei der Zwi- schenraum zwischen den beiden Kolbeneinrichtungen 108 und 110 als Brenn- raum 120 ausgebildet, indem entsprechend ein Luft-Brennstoff-Gemisch zünd- bar ist.

Dazu ist dieser Brennraum 120 mit einem Einlaßventil 122 und einem Auslaß- ventil 124 versehen. Über das Einlaßventil wird Frischluft dem Brennraum 120 zugeführt und über das Auslaßventil 124 wird Abgas abgeführt.

Eine entsprechende Saugleitung 126 und eine Abführungsleitung 128 ist mit einem Lader 130 verbunden, welcher wiederum, wie bereits anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, mit den äußeren Brennräumen 132 und 134 über jeweilige Saugleitungen 136 und Abgasabführungsleitungen 138 verbun- den ist. Ansonsten funktioniert die Freikolben-Verbrennungsvorrichtung mit Lineargenerator wie bereits oben beschrieben.

Es ist grundsätzlich möglich, daß Kolbeneinrichtungen 140,142 vorgesehen sind, zwischen welchen ein Brennraum 144 angeordnet ist (Figur 5).

Jede Kolbeneinrichtung 140,142 umfaßt wiederum ein Paar beabstandeter Kolben 146a, 146b bzw. 148a, 148b.

Es ist nun vorgesehen, daß zwischen den Kolben 146a und einer zuweisenden Zylinderwand 150 und dem Kolben 148a und der zuweisenden Zylinderwand 152 jeweils ein Rückfederraum 154, 156 gebildet ist, in dem beispielsweise jeweils ein elastisches Element 158, vorzugsweise eine Kompressionsfeder an- geordnet ist.

Bei einer solchen Vorrichtung läßt sich dann für jede Kolbeneinrichtung 140, 142 getrennt, das heißt in einem jeweils zugeordneten Rückfederraum 154 bzw. 156 die während eines Verbrennungsarbeitstaktes (bei der Verbrennung in dem Brennraum 144) nicht von einem entsprechenden Lineartrieb 160 auf- genommene Energie zwischenspeichern. Der Lineartrieb 160 ist dabei grund- sätzlich gleich ausgebildet wie oben anhand des Lineartriebs 40 beschrieben.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolben- Verbrennungsvorrichtung mit Lineartrieb, welches in Figur 6 als Ganzes mit 202 bezeichnet ist, ist eine Kolbenaufnahme 204 vorgesehen, in welcher eine einzige Kolbeneinrichtung 206 linear verschieblich ist. Es können dabei meh- rere solcher Kolbenaufnahmen 204 beispielsweise zur Stromerzeugung zu- sammengeschaltet sein, indem sie beispielsweise paketförmig gestapelt sind oder jeweils zwei Kolbenaufnahmen V-förmig angeordnet sind.

Die Kolbeneinrichtung 206 wiederum umfaßt einen ersten Kolben 208 und einen gegenüberliegenden zweiten Kolben 210, der im wesentlichen zur Ab- stützung des ersten Kolbens 208 dient. Zwischen diesen beiden Kolben 208 und 210 ist eine Kolbenstange 212 angeordnet, die diese beiden Kolben 208 und 210 miteinander verbindet.

Eine Läufervorrichtung 214, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, ist zwischen diesen beiden Kolben 208 und 210 auf der Kolbenstange 212 an- geordnet.

An der Kolbenaufnahme 204 sitzt wiederum eine wie oben beschrieben aus- gebildete Statorvorrichtung 216.

Der erste Kolben 208 ist einem als Brennraum 218 ausgebildeten Expansions- raum zugewandt und begrenzt diesen. Dieser erste Kolben 208 erfährt damit auch direkt den Druck der in dem Brennraum 218 expandierenden Verbren- nungsgase, welche die Kolbeneinrichtung 206 antreiben.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß an dem ersten Kolben 208 ein thermi- sches Isolierelement 220, beispielsweise eine Keramikscheibe der Läufervor- richtung 214 angeordnet ist, um den Brennraum 218 von der Läufervorrich- tung 214 thermisch zu isolieren.

Von dem Brennraum 218 führt über ein steuerbares Auslaßventil 222 eine Ab- gasleitung 224 zu einem Lader 226. Ferner führt von diesem Lager 226 eine

Zuführungsleitung 228 zu dem Brennraum 218, in den sie über ein steuer- bares Einlaßventil 230 mündet.

Der Lader 226 mit seiner Ankopplung an den Brennraum 218 funktioniert wie bereits oben beschrieben.

Der zweite Kolben 210 ist einem Raum 232 zugewandt, welcher ein Nicht- Brennraum ist. Insbesondere ist dieser als Rückfederraum ausgebildet, indem ein mechanisches elastisches Element angeordnet ist (in Figur 6 nicht gezeigt) oder indem ein komprimierbares Medium wie Luft angeordnet ist. In diesem Fall sind steuerbare Ventile 234 zur Steuerung und/oder Regelung des Drucks in diesem Raum 232 vorgesehen, um eben die Rückfederung steuern zu können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 202 funktioniert wie oben anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, das heißt über die Steuerungs-und Regelungseinrichtung 56 ist die Kolbenbewegung variabel einstellbar.

Der obere Umkehrpunkt (OT) und der untere Umkehrpunkt (UT) ist einstellbar und zwar insbesondere räumlich bezüglich der Kolbenaufnahme 204 und zeit- lich einstellbar. Ferner ist die Kolbengeschwindigkeit einstellbar und damit wiederum die Verdichtung in dem Brennraum 218 einstellbar. Insbesondere erfolgt die Einstellung über einen Lineartrieb, welcher die Läufervorrichtung 214 und die Statorvorrichtung 216 umfaßt. Durch eine Einstellbarkeit der Kolbenbewegung derart, daß die Position des ersten Kolbens 208 mindestens bezüglich des Zeitpunktes für das Erreichen des oberen Umkehrpunktes und des unteren Umkehrpunktes einstellbar ist und vorzugsweise derart, daß die

Kolbenposition des ersten Kolbens 208 zu jedem Zeitpunkt definiert festlegbar ist, läßt sich die Vorrichtung variabel an unterschiedliche Einsatzbedingungen oder unterschiedliche Einsatzparameter anpassen.

Oben wurden als Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Freikolbenvor- richtungen Freikolben-Verbrennungsvorrichtungen beschrieben. Diese lassen sich insbesondere als Brennkraftmaschinen einsetzen.

Es ist auch möglich, über die erfindungsgemäße Lösung eine Freikolben- Dampfmaschine zu realisieren, wie untenstehend noch näher beschrieben wird.

Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freikolben- vorrichtung, welche in Figur 7 als Ganzes mit 300 bezeichnet ist, umfaßt eine Kolbenaufnahme 302 einen Innenraum 304, in welchem eine Kolbeneinrich- tung 306 linear-beweglich angeordnet ist. Die Kolbeneinrichtung 306 umfaßt einen ersten Kolben 308 und einen mit diesem verbundenen gegenüberliegen- den zweiten Kolben 310.

Der erste Kolben 308 begrenzt einen Expansionsraum 312, in dem sich ein Wärmeträgermedium wie Dampf entspannen kann, wobei über diese Expan- sion des Wärmeträgermediums eine Kraft auf den ersten Kolben 308 und damit auf die Kolbeneinrichtung 306 ausgeübt wird. Der zweite Kolben 310 begrenzt einen Rückfederraum 313, welcher in dem Innenraum 304 der Kolbenaufnahme 302 am anderen Ende bezogen auf den Expansionsraum 312 gebildet ist.

An der Kolbeneinrichtung 306 ist eine Läufervorrichtung 314 fixiert, welche sich mit der Kolbeneinrichtung 306 bewegt. Eine Statorvorrichtung 316 ist be- zogen auf die Kolbenaufnahme 302 ortsfest fixiert.

Die Funktionsweise einer solchen Antriebsvorrichtung ist grundsätzlich gleich wie oben beschrieben.

Das Wärmeträgermedium, bei dem es sich insbesondere um Dampf handelt, wird außerhalb des Expansionsraums 312 erzeugt bzw. erhitzt. Dazu ist bei- spielsweise ein Druckkessel 318 vorgesehen, welcher über einen Ausgang 320 an den Expansionsraum 312 gekoppelt ist. Zwischen diesem Ausgang 320 und dem Expansionsraum 312 ist eine Leitung 322 für Wärmeträgermedium ange- ordnet.

Der Druckkessel 318 ist mittels einer Wärmequelle 324 beheizbar. Die Wärme- quelle selber kann mittels Solarstrahlung oder mittels Brennstoffen beheizt sein.

Erhitztes Wärmeträgermedium wie beispielsweise Heißdampf wird von dem Druckkessel 318 in den Expansionsraum 312 eingekoppelt und kann sich dort entspannen. Dies führt zu einer Kolbenbewegung an der Kolbeneinrichtung 306, wodurch sich elektrische Energie erzeugen läßt. Zur Einkopplung des Wärmeträgermediums in den Expansionsraum ist an diesem ein entsprechen- des Ventil 326 angeordnet, welches mechanisch oder elektrisch betätigbar ist.

Dadurch läßt sich auf entsprechende Weise die Wärmeträgermediumzufuhr steuern bzw. regeln.

An einem Auslaß 328 des Expansionsraums 312 sitzt ein weiteres Ventil 330, über welches die Mediumabfuhr aus dem Expansionsraum 312 steuerbar bzw. regelbar ist, wobei diese Steuerung insbesondere gekoppelt an die Wärme- trägermediumzufuhr erfolgt.

Der Auslaß 328 ist über eine Leitung 330 mit einer Rückkühlungseinrichtung 332 verbunden, über die sich aus dem Expansionsraum 312 abgeführtes Medium abkühlen läßt. Das Medium, welches in die Rückkühlungseinrichtung 332 eintritt, steht unter einem geringeren Druck als das Medium, welches aus dem Druckkessel 318 aus-und in den Expansionsraum 312 zur Entspannung eintritt.

Von der Rückkühlungseinrichtung 332 läßt sich Medium wie Dampf über eine Leitung 334 in den Druckkessel 318 führen, um dort wiederum dem Medium Energie zuführen zu können, d. h. Wärmeträgermedium für den Expansions- raum 312 bereitstellen zu können.

In der Leitung 334 ist eine Pumpe 336 angeordnet, um das Medium in den Druckkessel 318 befördern zu können.

Der Druckkessel 318 ist vorzugsweise mit Dampf gefüllt.

Durch Expansion des unter Druck in den Expansionsraum 312 eingeführten Dampfes wird die Linearbewegung der Kolbeneinrichtung 306 bewirkt, welche wiederum die elektrische Energieerzeugung bewirkt. Die Kolbenbewegung und die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt auf die grundsätzlich gleiche Weise wie oben beschrieben.

Auch bei einer solchen Freikolben-Dampfmaschine kann eine Mehrzahl von Kolbeneinrichtungen und Expansionsräumen wie oben beschrieben vorgesehen sein.

Es ist auch möglich, bei einer Freikolben-Verbrennungsvorrichtung einem Brennraum Brenngase zuzuführen, welche extern erzeugt wurden und dann in den Brennraum eingekoppelt werden, welcher durch die entsprechende Kolbeneinrichtung begrenzt wird.