Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
FREE PISTON DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/198578
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a free piston device comprising a piston (42) which is arranged in a movable manner back and forth along an axis (26). The piston receiving area (24) comprises a combustion chamber (50) which is delimited by a wall (32). The free piston device (10) comprises a cooling device (74) which is arranged on the piston receiving area (24) for cooling the wall (32). The cooling device (74) has a cooling channel (76) which is arranged radially on the exterior of the wall (32) for a cooling medium in order to improve the cooling function, said cooling channel having a first cooling region (78) and a second cooling region (80) at axially opposite sides of an outlet opening (36). The cooling channel (76) additionally has at least one third cooling region (82) which fluidically connects the first cooling region (78) and the second cooling region (80) along the axial extension of the outlet chamber (92) and is positioned radially outside of the outlet chamber (92) at least in some sections.

Inventors:
SCHNEIDER, Stephan (Elisabethenstrasse 5, Stuttgart, 70176, DE)
Application Number:
EP2017/061516
Publication Date:
November 23, 2017
Filing Date:
May 12, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V. (Linder Höhe, Köln, 51147, DE)
International Classes:
F01B11/02; F01B11/00; F01P3/00; F01P3/02; F02B71/00; F02B63/04
Domestic Patent References:
WO2007085344A12007-08-02
Foreign References:
US20130167798A12013-07-04
US6904876B12005-06-14
GB889509A1962-02-14
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWÄLTE MBB (Uhlandstrasse 14 c, Stuttgart, 70182, DE)
Download PDF:
Claims:
PATENTANSPRÜCHE

Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme (24), in der mindestens eine Kolbeneinrichtung (38) mit einem Kolben (42) längs einer Achse (26) hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme (24) einen von einer Wandung (32) begrenzten Brennraum (50) umfasst oder bildet, in der mindestens eine Einlassöffnung (34) für die Zufuhr von Frischgas und, in axialer Richtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung (36) für die Abfuhr von Abgas gebildet sind, wobei die Freikolbenvorrichtung (10) eine an der Kolbenaufnahme (24) angeordnete Kühleinrichtung (74) zum Kühlen der Wandung (32) umfasst, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass die Kühleinrichtung (74) einen radial außenseitig an der Wandung (32) angeordneten und diese in Umfangsrichtung der Achse (26) zumindest teilweise umgebenden Kühlkanal (76) für ein Kühlmedium umfasst oder bildet, der axial aufeinander gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Auslassöffnung (36) einen ersten Kühlbereich (78) und einen zweiten Kühlbereich (80) aufweist, dass die Kolbenaufnahme (24) einen außenseitig an der Wandung (32) angeordneten Auslassraum (92) für über die mindestens eine Auslassöffnung (36) austretendes Abgas umfasst oder bildet, und dass der Kühlkanal (76) mindestens einen sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Achse (26) erstreckenden dritten Kühlbereich (82) aufweist, der den ersten Kühlbereich (78) und den zweiten Kühlbereich (80) längs der axialen Erstreckung des Auslassraumes (92) miteinander strömungsverbindet und zumindest abschnittsweise radial außerhalb des Auslassraumes (92) positioniert ist.

Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (76) zwei dritte Kühlbereiche (82) aufweist, die einander bezüglich der Achse (26) gegenüberliegend an der Kolbenaufnahme (24) angeordnet sind.

3. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) einen axial verlaufenden Kühlkanalabschnitt (108) aufweist, der radial neben einer Außenwand (94) des Auslassraumes (92) angeordnet ist.

4. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (84) axial neben dem Auslassraum (92) einen quer oder geneigt zur Achse (26) verlaufenden Kühlkanalabschnitt (106) zur Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich (78) umfasst und/oder dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) axial neben dem Auslassraum (92) einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt (110) zur Strömungsverbindung mit dem zweiten Kühlbereich (80) umfasst.

5. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (76) am mindestens einen dritten Kühlbereich (82) zumindest radial neben dem Auslassraum (92) als Flachkanal ausgestaltet ist.

6. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Kühlkanals (76) am mindestens einen dritten Kühlbereich (82) zumindest radial neben dem Auslassraum (92) mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser des Brennraumes (50) ist.

7. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich (82) in Umfangsrichtung der Achse (26) einen Winkelbereich von 45° bis 60° überdeckt, zumindest radial neben dem Auslassraum (92).

8. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (76) am ersten Kühlbereich (78) und/oder am zweiten Kühlbereich (80) ein Ringkanal ist.

9. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung (32) eine Mehrzahl von Auslassöffnungen (36) gebildet ist, über die der Brennraum (50) in den Auslassraum (92) mündet, wobei in Umfangsrichtung der Achse (26) benachbarte Auslassöffnungen (36) über jeweils ein Wandsegment (100) der Wandung (32) voneinander getrennt sind, und dass der Kühlkanal (76) zumindest in einem der Teil der Wandsegmente (100) Kühlkanalabschnitte (104) umfasst oder bildet, die den ersten Kühlbereich (78) mit dem zweiten Kühlbereich (80) strömungsverbinden, vorzugsweise dass die Kühlkanalabschnitte (104) axial verlaufen und/oder dass in jedem Wandsegment (100) zumindest ein Kühlkanalabschnitt (104) verläuft.

10. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlbereich (78) aufstromseitig am Kühlkanal (76) angeordnet ist und zu einer der mindestens einen Einlassöffnung (34) abgewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung (36) angeordnet ist und dass der zweite Kühlbereich (80) zu einer der mindestens einen Einlassöffnung (34) zugewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung (36) angeordnet ist, wobei das Kühlmedium durch den ersten Kühlbereich (78) und den mindestens einen dritten Kühlbereich (82) hindurch zum zweiten Kühlbereich (80) strömt.

11. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenaufnahme (24) ein Gehäuse (28) aufweist und eine von diesem aufgenommene Kolbenlaufbuchse (30), wobei der erste Kühlbereich (78), der zweite Kühlbereich (80) und/oder der Auslassraum (92) radial zwischen der Kolbenlaufbuchse (30) und dem Gehäuse (28) gebildet sind .

12. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlbereich (82) zumindest im Bereich des Auslassraumes (92) durch eine radial außenseitige Kanal- wand (112) begrenzt und zwischen dieser und einer Außenwand (94) der Kolbenaufnahme (24) von dem Kühlmedium durchströmbar ist, insbesondere dass die Außenwand (94) eine Außenwand (94) des Gehäuses (28) der Kolbenaufnahme (24) ist.

13. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine mit der Kolbeneinrichtung (38) gekoppelte Energiekopplungseinrichtung (58) um- fasst, über die Energie der Kolbeneinrichtung (38) auskoppelbar oder über die Energie an die Kolbeneinrichtung (38) einkoppelbar ist, insbesondere dass die Energiekopplungseinrichtung (58) mindestens einen Lineargenerator (66) umfasst.

14. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 13 in Verbindung mit Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) einen die Energiekopplungseinrichtung (58) aufnehmenden Aufnahmeraum (22) umfasst und dass die den mindestens einen dritten Kühlbereich (82) radial außenseitig begrenzende Kanalwand (112) abschnittsweise eine Wandung des Aufnahmeraumes (22) bildet.

15. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtung (58) seitlich neben der Kolbenaufnahme (24) positioniert ist, wobei die Energiekopplungseinrichtung (58) abschnittsweise seitlich neben dem mindestens einen dritten Kühlbereich (82) angeordnet ist.

16. Freikolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekopplungseinrichtung (58) eine erste Einheit (60) und eine zweite Einheit (62) umfasst, die jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme (24) und einem jeweiligen dritten Kühlbereich (82) positioniert sind, wobei die Kolbenaufnahme (24) und die dritten Kühlbereiche (82) zwischen den Einheiten (60, 62) der Energiekopplungseinrichtung (58) angeordnet sind. WO 2017/198578 _ 3g _ PCT/EP2017/061516

17. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlbereich (80) axial zwischen der mindestens einen Auslassöffnung (36) und der mindestens einen Einlassöffnung (34) angeordnet ist und dass der Kühlkanal (76) einen vierten Kühlbereich (84) umfasst, der an einer dem zweiten Kühlbereich (80) gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Einlassöffnung (34) angeordnet ist, wobei der Kühlkanal (76) am vierten Kühlbereich (84) vorzugsweise ein Ringkanal ist.

18. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (42) zumindest teilweise über die mindestens eine Auslassöffnung (36) bewegbar ist und dass diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (42) zumindest teilweise freigebbar ist.

19. Freikolbenvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenvorrichtung (10) eine weitere Kolbeneinrichtung (40) mit einem Kolben (42) umfasst, wobei die Kolben (42) beider Kolbeneinrichtungen (40) in Gegenkolbenanordnung positioniert sind, wobei der Brennraum (50) zwischen den Kolben (42) gebildet ist.

20. Freikolbenvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (42) der weiteren Kolbeneinrichtung (40) zumindest teilweise über die mindestens eine Einlassöffnung (34) bewegbar ist und dass diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben (42) zumindest teilweise freigebbar ist.

Description:
FREIKOLBENVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Freikolbenvorrichtung, umfassend eine Kolbenaufnahme, in der mindestens eine Kolbeneinrichtung mit einem Kolben längs einer Achse hin- und herbeweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenaufnahme einen von einer Wandung begrenzten Brennraum umfasst oder bildet, in der mindestens eine Einlassöffnung für die Zufuhr von Frischgas und, in axialer Richtung davon beabstandet, mindestens eine Auslassöffnung für die Abfuhr von Abgas gebildet sind, wobei die Freikolbenvorrichtung eine an der Kolbenaufnahme angeordnete Kühleinrichtung zum Kühlen der Wandung umfasst.

Bei einer derartigen, üblicherweise im Zweitaktverfahren betriebenen, Freikolbenvorrichtung oszilliert die Kolbeneinrichtung in der Kolbenaufnahme hin und her. Bei der Verbrennung eines Gas-Brennstoff-Gemisches im Brennraum wird der Kolben von einem oberen Totpunkt zu einem unteren Totpunkt bewegt. Bei Einnahme des unteren Totpunktes sind die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung geöffnet, und Frischgas kann in den Brennraum einströmen. Abgas kann aus dem Brennraum abgeführt werden. Der Kolben kann als Ventilkörper wirken, mit dem die mindestens eine Einlassöffnung oder die mindestens eine Auslassöffnung bei Einnahme des unteren Totpunktes zumindest teilweise freigegeben wird und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens wieder versperrt wird . Die Aufwärtsbewegung des Kolbens erfolgt unter der Wirkung einer Rückfedereinrichtung der Freikolbenvorrichtung für die Kolbeneinrichtung . Die Rückfedereinrichtung umfasst beispielsweise eine Gasfeder mit einem über die Kolbeneinrichtung komprimierbaren Gas. Bei einer Expansion des Gases wird die Kolbeneinrichtung in Gegenrichtung für die Aufwärtsbewegung des Kolbens bewegt. Alternativ oder ergänzend kann eine mechanische Rückfedereinrichtung vorgesehen sein.

Unter "Frischgas" wird vorliegend ein Gas oder Gasgemisch (insbesondere Luft) für die innere Verbrennung im Brennraum verstanden, wobei dem Gas - - auch ein Brennstoff beigemischt sein kann. "Frischgas" kann vorliegend daher auch ein Gas-Brennstoff-Gemisch bezeichnen, das über die mindestens eine Eintrittsöffnung in den Brennraum einströmen kann. "Abgas" bezeichnet vorliegend ein Verbrennungsprodukt der inneren Verbrennung.

Bei der gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung entsteht durch die axial voneinander beabstandeten Öffnungen für den Einlass und den Auslass ein Spülgefälle, und zum Ladungswechsel wird der Brennraum in axialer Richtung gespült (sogenannte "Längsspülung"). "Axial" und "radial" beziehen sich vorliegend auf die von der Kolbenaufnahme definierte Achse, längs der die Kolbeneinrichtung bewegt wird. "Axial" schließt vorliegend einen Verlauf parallel zur Achse (achsparallel) mit ein.

Aufgrund des Spülgefälles ergibt sich ein erheblicher Temperaturunterschied der Wandung einlassseitig und auslassseitig . Im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung kann die Temperatur üblicherweise beispielsweise ungefähr 1000°C betragen, was die Auswahl und Anpassung der verwendeten Materialien einschränkt bzw. erschwert. Als problematisch kann sich hierbei insbesondere auch die unerwünschte Erwärmung weiterer Komponenten der Freikolbenvorrichtung erweisen. Hierbei ist insbesondere die unerwünschte Erwärmung einer von der Freikolbenvorrichtung umfassten Energiekopplungseinrichtung zu nennen, die dadurch in ihrer Funktionalität eingeschränkt sein kann. Die gattungsgemäße Freikolbenvorrichtung umfasst zum Kühlen der Kolbenaufnahme im Bereich der Wandung eine Kühleinrichtung an der Kolbenaufnahme. Die Kühleinrichtung ist mit einem Kühlmedium beaufschlagbar, insbesondere Wasser.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Freikolbenvorrichtung der eingangs genannten Art weiterzubilden, bei der eine bessere Kühlung der Kolbenaufnahme ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freikolbenvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung einen radial außenseitig - - an der Wandung angeordneten und diese in Umfangsrichtung der Achse zumindest teilweise umgebenden Kühlkanal für ein Kühlmedium umfasst oder bildet, der axial auf einander gegenüberliegenden Seiten der mindestens einen Auslassöffnung einen ersten Kühlbereich und einen zweiten Kühlbereich aufweist, dass die Kolbenaufnahme einen außenseitig an der Wandung angeordneten Auslassraum für über die mindestens eine Auslassöffnung austretendes Abgas umfasst oder bildet, und dass der Kühlkanal mindestens einen sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Achse erstreckenden dritten Kühlbereich aufweist, der den ersten Kühlbereich und den zweiten Kühlbereich längs der axialen Erstreckung des Auslassraumes miteinander strömungsverbindet und zumindest abschnittsweise radial außerhalb des Auslassraumes positioniert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung ist vorgesehen, dass der Kühlkanal mehrere Kühlbereiche aufweist. Ein erster und ein zweiter Kühlbereich sind axial neben der mindestens einen Auslassöffnung und radial die Wandung zumindest teilweise umgebend angeordnet. Zwischen dem ersten Kühlbereich und dem zweiten Kühlbereich ist ein Auslassraum für Abgas angeordnet, in den Abgas über die mindestens eine Auslassöffnung eintritt. An den Auslassraum ist zum Beispiel eine Auslassleitung für Abgas der Freikolbenvorrichtung angeschlossen. Um eine wirkungsvolle Kühlung der Kolbenaufnahme auch im Bereich des Auslassraumes zu erzielen, ist der mindestens eine dritte Kühlbereich vorgesehen. Dieser bildet eine Strömungsverbindung vom ersten Kühlbereich zum zweiten Kühlbereich entlang der axialen Erstreckung des Auslassraumes. Der mindestens eine dritte Kühlbereich ist radial außerhalb des Auslassraumes positioniert und erstreckt sich zumindest teilweise in Umfangsrichtung der Achse. Dies gibt die Möglichkeit, ausgetretenes Abgas zunächst im Auslassraum zu sammeln und über die Auslassleitung abzugeben, wobei zugleich eine wirkungsvolle Kühlung der radial außenseitigen Wandung des Auslassraumes über den mindestens einen dritten Kühlbereich erzielt wird . Die Wärmeabgabe an weitere Komponenten der Freikolbenvorrichtung, die seitlich neben der Kolbenaufnahme im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet sind, kann dadurch erheblich reduziert werden. Dies begünstigt bei - - einer vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise die Funktion einer seitlich neben der Kolbenaufnahme positionierten Energiekopplungseinrichtung, worauf nachfolgend noch eingegangen wird .

Bei einer vorteilhaften Umsetzung der erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung strömen beispielsweise ungefähr fünf Liter bis ungefähr zehn Liter pro Minute durch den Kühlkanal. Die Vorlauftemperatur des Kühlmediums, insbesondere Wasser, kann beispielsweise ungefähr 80°C bis ungefähr 95°C betragen.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Kühlkanal zwei dritte Kühlbereiche aufweist, die einander bezüglich der Achse gegenüberliegend an der Kolbenaufnahme angeordnet sind. Dies ist zum Beispiel bei Anordnung einer jeweiligen Energiekopplungseinrichtung oder eines Teils davon auf einander gegenüberliegenden Seiten der Achse von Vorteil, insbesondere bei einer Flachbauweise der Freikolbenvorrichtung.

Vorteilhafterweise weist der mindestens eine dritte Kühlbereich einen axial verlaufenden Kühlkanalabschnitt auf, der radial neben einer Außenwand des Auslassraumes angeordnet ist. Über die von der Kolbenaufnahme gebildete Außenwand kann Wärme an den Kühlkanal abgegeben werden und vom Kühlmedium wirkungsvoll abgeführt werden . Radial außenseitig kann der Kühlkanalabschnitt von einer Kanalwand begrenzt sein. Auf der dem Kühlkanalabschnitt gegenüberliegenden Seite der Kanalwand ist zum Beispiel ein Aufnahmeraum für die Energiekopplungseinrichtung vorgesehen.

Der mindestens eine dritte Kühlbereich umfasst vorzugsweise axial neben dem Auslassraum einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt zur Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich. Beispielsweise ist der Kühlkanalabschnitt quer zur Achse ausgerichtet und verbindet den ersten Kühlbereich mit dem vorstehend erwähnten Kühlkanalabschnitt radial neben der Außenwand des Auslassraumes. - -

Günstig ist es, wenn der mindestens eine dritte Kühlbereich axial neben dem Auslassraum einen quer oder geneigt zur Achse verlaufenden Kühlkanalabschnitt zur Strömungsverbindung mit dem zweiten Kühlbereich umfasst. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkanalabschnitt relativ zur Achse geneigt und verbindet den vorstehend genannten Kühlkanalabschnitt radial neben der Außenwand des Auslassraumes mit dem zweiten Kühlbereich.

Von Vorteil ist, wenn der Kühlkanal am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest radial neben dem Auslassraum als Flachkanal ausgestaltet ist. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass eine Breitseite des Flachkanals in Umfangsrichtung der Achse verläuft oder tangential zu einer Außenwand des Auslassraumes ausgerichtet ist. Der Flachkanal ist vorzugsweise axial vom Kühlmedium durchströmt.

Bei einer vorteilhaften Umsetzung ist es günstig, wenn eine Breite des Kühlkanals am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest radial neben dem Auslassraum mindestens ungefähr gleich dem Durchmesser des Brennraumes ist. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von Auslassöffnungen vorgesehen, die über den Umfang der Wandung verteilt sind. Der Auslassraum kann die Wandung in Umfangsrichtung umgeben. Ist der Kühlkanal am mindestens einen dritten Kühlbereich zumindest so breit, dass dies dem Durchmesser des Brennraumes entspricht, kann dadurch eine wirkungsvolle Kühlung des die Wandung umgebenden Auslassraumes erzielt werden. "Breite" bezieht sich vorliegend auf einen Querschnitt senkrecht zur Achse, wobei insbesondere wie vorstehend erwähnt ein Flachkanal vorgesehen sein kann, der in Umfangsrichtung der Achse oder tangential ausgerichtet ist.

Der mindestens eine dritte Kühlbereich kann in Umfangsrichtung der Achse vorzugsweise einen Winkelbereich von ca. 45° bis ca. 60° überdecken, zumindest radial neben dem Auslassraum.

Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass der Kühlkanal am ersten Kühlbereich und/oder am zweiten Kühlbereich ein Ringkanal ist. "Ringkanal" - - beschreibt vorliegend einen in Umfangsrichtung der Achse in sich geschlossenen Kanal, wobei eine Kreisringform nicht erforderlich ist. Der Ringkanal kann axial, in Umfangsrichtung der Achse oder schief zur Achse durchströmbar sein.

Der Kühlkanal kann ganz oder teilweise durch Ausgestaltung mindestens eines Kühlbereiches als Ringkanal einen Kühlmantel für die Wandung ausbilden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine dritte Kühlbereich als Ringkanal ausgestaltet ist.

In der Wandung ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Auslassöffnungen gebildet, über die der Brennraum in den Auslassraum mündet, wobei in Umfangsrichtung der Achse benachbarte Auslassöffnungen über jeweils ein Wandsegment der Wandung voneinander getrennt sind, wobei der Kühlkanal zumindest in einem Teil der Wandsegmente Kühlkanalabschnitte umfasst oder bildet, die den ersten Kühlbereich mit dem zweiten Kühlbereich strömungsver- binden. Wie bereits erwähnt kann der Brennraum über die Mehrzahl der Auslassöffnungen in den Auslassraum münden, aus dem Abgas beispielsweise über mindestens eine daran angeschlossene Auslassleitung abgeführt werden kann. Der mindestens eine dritte Kühlbereich ermöglicht eine wirkungsvolle Kühlung radial außenseitig an einer Außenwand des Auslassraumes. Zusätzlich sind bei der vorliegenden vorteilhaften Ausführungsform Kühlkanalabschnitte vorgesehen, die den ersten Kühlbereich mit dem zweiten Kühlbereich strö- mungsverbinden. Die Kühlkanalabschnitte verlaufen durch Wandsegmente zwischen den Auslassöffnungen, die vom heißen Abgas besonders stark aufgeheizt werden . Dies erlaubt es, die Wandung noch besser zu kühlen.

Die Kühlkanalabschnitte verlaufen beispielsweise axial.

In jedem Wandsegment kann mindestens ein Kühlkanalabschnitt verlaufen.

Der Auslassraum kann, wie erwähnt, die Wandung in Umfangsrichtung vollständig oder im Wesentlichen vollständig umgeben. - -

Der erste Kühlbereich ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform aufstrom- seitig am Kühlkanal angeordnet und zu einer der mindestens einen Einlassöffnung abgewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet, und der zweite Kühlbereich ist günstigerweise zu einer der mindestens einen Einlassöffnung zugewandten Seite der mindestens einen Auslassöffnung angeordnet, wobei das Kühlmedium durch den ersten Kühlbereich und den mindestens einen dritten Kühlbereich hindurch zum zweiten Kühlbereich strömt. Dies gibt die Möglichkeit, die Wandung mit dem Kühlmedium zunächst an den besonders heißen Bereichen zu kühlen. Der Vorlauf der Kühleinrichtung ist axial auf der der Einlassöffnung abgewandten Seite der Auslassöffnung angeordnet. Von dort durchströmt das Kühlmedium den ersten Kühlbereich, anschließend den mindestens einen dritten Kühlbereich und anschließend den zweiten Kühlbereich. Im Bereich des zweiten Kühlbereiches ist die Wandung aufgrund der Längsspülung des Brennraumes weniger heiß. Im Ergebnis wird durch die vorgeschlagene Kühlung insgesamt eine bessere Wärmeabfuhr von der Kolbenaufnahme ermöglicht als bei Durchströmung des Kühlkanals in entgegengesetzter Richtung .

Günstig ist es, wenn die Kolbenaufnahme ein Gehäuse aufweist und eine von diesem aufgenommene und die Wandung bildende Kolbenlaufbuchse, wobei der erste Kühlbereich, der zweite Kühlbereich und/oder der Auslassraum radial zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse gebildet sind . Die Kolbenlaufbuchse, beispielsweise eine Zylinderlaufbuchse, ermöglicht einen ruhigen und zuverlässigen Lauf des Kolbens. Die mindestens eine Einlassöffnung und die mindestens eine Auslassöffnung sind in der Kolbenlaufbuchse gebildet. Der Kühlkanal verläuft zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse zumindest am ersten Kühlbereich und/oder am zweiten Kühlbereich, wodurch die Wandung zuverlässig gekühlt werden kann. Der Auslassraum ist vorzugsweise radial zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse gebildet. Axiale Stirnwände des Auslassraumes können durch die Kolbenlaufbuchse und/oder durch das Gehäuse gebildet sein. - -

Günstig ist es, wenn die Kolbenlaufbuchse in das Gehäuse eingesetzt ist, wobei der Kühlkanal vorzugsweise über zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse positionierte Dichtelemente abgedichtet ist. Beispielsweise sind O- Ringe in Umfangsrichtung der Achse zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Gehäuse zum Abdichten des Kühlkanals vorgesehen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Freikolbenvorrichtung ist es günstig, wenn der dritte Kühlbereich zumindest im Bereich des Auslassraumes durch eine radial außenseitige Kanalwand begrenzt und zwischen dieser und einer Außenwand der Kolbenaufnahme von dem Kühlmedium durchströmbar ist. Die Außenwand ist insbesondere eine Außenwand des Auslassraumes, wie vorstehend erwähnt. Das Kühlmedium durchströmt einen Kühlkanalabschnitt zwischen der Außenwand und der Kanalwand. Die Kanalwand ist beispielsweise getrennt von der Kolbenaufnahme und insbesondere dessen Gehäuse gebildet und, den dritten Kühlbereich dichtend, mit dieser bzw. diesem verbunden. Die Kanalwand besteht vorteilhafterweise aus einem wärmeleitfähigen Material.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Kanalwand eine innenliegende Wandung eines Gehäuses der Freikolbenvorrichtung sein, in dem ein Aufnahmeraum zum Aufnehmen einer Energiekopplungseinrichtung vorgesehen ist.

Wie bereits erwähnt umfasst die Freikolbenvorrichtung vorzugsweise eine mit der Kolbeneinrichtung gekoppelte Energiekopplungseinrichtung, über die Energie der Kolbeneinrichtung auskoppelbar oder über die Energie an die Kolbeneinrichtung einkoppelbar ist. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, die Bewegung der Kolbeneinrichtung mittels der Energiekopplungseinrichtung zu steuern. "Steuern" ist vorliegend dahingehend auszulegen, dass damit alternativ oder ergänzend auch "regeln" gemeint ist. "Steuerung" kann vorliegend daher als "Steuerung und/oder Regelung" aufgefasst werden. Durch die An- steuerung der Energiekopplungseinrichtung, die von einer Steuereinrichtung der Freikolbenvorrichtung vorgenommen werden kann, kann der Betriebspunkt - - der Freikolbenvorrichtung im Betrieb eingestellt werden. Zu diesem Zweck kann bei Bedarf Energie von der Energiekopplungseinrichtung an die Kolbeneinrichtung übertragen werden oder Energie der Kolbeneinrichtung über die Energiekopplungseinrichtung entnommen werden.

Die Energiekopplungseinrichtung umfasst vorteilhafterweise mindestens einen Lineargenerator. Der Lineargenerator weist beispielsweise eine an der Kolbeneinrichtung festgelegte Läuferanordnung auf und eine Statoranordnung. Läuferanordnung und Statoranordnung sind oder umfassen insbesondere Magnete bzw. Spulen.

Der Kolbeneinrichtung können zwei Lineargeneratoren zugeordnet sein mit einer jeweiligen Läuferanordnung und einer jeweiligen Statoranordnung . Ein jeweiliger Lineargenerator kann zum Beispiel seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert sein und eine der nachfolgend erwähnten Einheiten der Energiekopplungseinrichtung ausbilden.

Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorteilhafterweise einen die Energiekopplungseinrichtung aufnehmenden Aufnahmeraum, wobei die den mindestens einen dritten Kühlbereich radial außenseitig begrenzende Kanalwand abschnittsweise eine Wandung des Aufnahmeraumes bildet. Dies gibt die Möglichkeit, zum einen die Wärme des Abgases über das den mindestens einen dritten Kühlbereich durchströmende Kühlmedium abzuführen. Eine Abgabe von Wärme an die Energiekopplungseinrichtung kann vermieden werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit, über die Kanalwand auch Wärme abzuführen, die beim Betrieb der Energiekopplungseinrichtung entsteht. Die Funktionalität der Energiekopplungseinrichtung kann dadurch sichergestellt werden. Ein zuverlässigerer und energetisch günstigerer Betrieb der Freikolbenvorrichtung ist möglich.

Insbesondere in Kombination mit der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform ist es von Vorteil, wenn die Energiekopplungseinrichtung seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert ist, wobei die Energiekopplungseinrich- - - tung abschnittsweise seitlich neben dem mindestens einen dritten Kühlbereich angeordnet ist. Dies gibt beispielsweise die Möglichkeit einer kompakten Bauform der Freikolbenvorrichtung.

Die Energiekopplungseinrichtung kann eine erste Einheit und eine zweite Einheit umfassen, die jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme und einem jeweiligen dritten Kühlbereich positioniert sind, wobei die Kolbenaufnahme und die dritten Kühlbereiche zwischen den Einheiten der Energiekopplungseinrichtung angeordnet sind . Zum Ausgleich der bewegten Massen und Momente ist es günstig, wenn die Energiekopplungseinrichtung zwei Einheiten umfasst, deren jede beispielsweise wie vorstehend erwähnt durch einen Lineargenerator gebildet ist. Zwischen den Einheiten sind die Kolbenaufnahme und ein jeweiliger dritter Kühlbereich positioniert. Dies erlaubt eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung bei zugleich wirkungsvoller Kühlung der Kolbenaufnahme, um eine übermäßige Erwärmung der Einheiten der Energiekopplungseinrichtung zu vermeiden.

In der Wandung können radiale Durchführungen für eine Zündeinrichtung und/oder eine Einspritzeinrichtung gebildet sein, über die mindestens eine Leitung für elektrische Energie und/oder einen Brennstoff an den Brennraum führbar sind, wobei die mindestens eine Leitung oder Durchführung vom Kühlmedium insbesondere am zweiten Kühlbereich umströmbar ist. Beispielsweise ist der Kühlkanal am zweiten Kühlbereich ein Ringkanal, in dem das Kühlmedium mindestens eine radial verlaufende Durchführung für die Leitung umströmt.

Als günstig erweist es sich, wenn der zweite Kühlbereich axial zwischen der mindestens einen Auslassöffnung und der mindestens einen Einlassöffnung angeordnet ist und wenn der Kühlkanal einen vierten Kühlbereich umfasst, der an einer dem zweiten Kühlbereich gegenüberliegenden Seite der mindestens einen Einlassöffnung angeordnet ist. Dies gibt die Möglichkeit, die Wandung auch jenseits der mindestens einen Einlassöffnung wirkungsvoll zu kühlen. Der - -

Kühlkanal ist am vierten Kühlbereich vorzugsweise ein Ringkanal . Der vierte Kühlbereich kann eine Abstromseite des Kühlkanals bilden.

Axial zwischen dem zweiten und dem vierten Kühlbereich kann ein die Wandung zumindest teilweise umgebendes Gehäuse für zuführbares Frischgas angeordnet sein. In diesem Gehäuse aufgenommenes Frischgas kann über die mindestens eine Einlassöffnung in den Brennraum strömen. Das Gehäuse für Frischgas ermöglicht eine Beruhigung des zuströmenden Frischgases, wobei Pulsationen und Verwirbelungen gedämpft werden. Dies erweist sich als vorteilhaft im Hinblick auf eine optimierte Verbrennung. Der zweite Kühlbereich und der vierte Kühlbereich sind zum Beispiel durch eine Fluidleitung, etwa eine Schlauchleitung, miteinander strömungsverbunden, die seitlich am Gehäuse vorbei geführt sein kann.

Günstigerweise ist der Kolben zumindest teilweise über die mindestens eine Auslassöffnung bewegbar, wobei diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben zumindest teilweise freigebbar ist. Der Kolben kann auf diese Weise einen Ventilkörper für die mindestens eine Auslassöffnung bilden. Ein gesondertes Ventil kann eingespart werden. Im unteren Totpunkt des Kolbens kann Abgas aus dem Brennraum durch die mindestens eine Auslassöffnung in den Auslassraum strömen.

Die Freikolbenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine weitere Kolbeneinrichtung mit einem Kolben, wobei die Kolben beider Kolbeneinrichtungen in Gegenkolbenanordnung positioniert sind, wobei der Brennraum zwischen den Kolben gebildet ist. Durch die Gegenkolbenanordnung kann vorzugsweise ein Ausgleich der bewegten Massen und Momente erzielt werden. Die Kolbeneinrichtungen oszillieren dabei entgegengesetzt zueinander in der Kolbenaufnahme. Der Brennraum ist in Folge der gegenläufigen Bewegung der Kolbeneinrichtungen größenveränderlich zwischen den Kolben gebildet. - -

Die Freikolbenvorrichtung kann eine weitere Rückfedereinrichtung umfassen, die der weiteren Kolbeneinrichtung zugeordnet ist. Die Rückfedereinrichtung kann eine Gasfeder umfassen und/oder mechanisch ausgestaltet sein.

Der weiteren Kolbeneinrichtung kann ebenfalls eine Energiekopplungseinrichtung zugeordnet sein, die vorzugsweise seitlich neben der Kolbenaufnahme positioniert ist. Die Energiekopplungseinrichtung kann einen Lineargenerator umfassen. Beispielsweise sind zwei jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme positionierte Einheiten der weiteren Energiekopplungseinrichtung vorgesehen. Jede Einheit kann durch einen Lineargenerator gebildet sein.

Der Kolben der weiteren Kolbeneinrichtung ist bevorzugt zumindest teilweise über die mindestens eine Einlassöffnung bewegbar, wobei diese bei Einnahme des unteren Totpunktes durch den Kolben zumindest teilweise freigebbar ist. Dadurch kann der Kolben einen Ventilkörper für die mindestens eine Einlassöffnung bilden. Ein gesondertes Ventil kann eingespart werden. Im unteren Totpunkt des Kolbens kann Frischgas durch die mindestens eine Einlassöffnung in den Brennraum strömen.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :

Figur 1 : eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung;

Figur 2 : eine Längsschnittansicht der Freikolbenvorrichtung aus Figur 1;

Figur 3 : eine vergrößerte Darstellung von Detail A in Figur 2;

Figur 4: eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Figur 3;

Figur 5 : eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 in Figur 3; - -

Figur 6: eine perspektivische Darstellung einer Kolbenlaufbuchse der Freikolbenvorrichtung aus Figur 1, die von einem Kühlkanal umgeben ist, wobei die ein Kühlmedium führende Form des Kühlkanals gezeigt ist; und

Figur 7 : eine perspektivische Darstellung der das Kühlmedium führenden

Form des Kühlkanals aus Figur 6.

Die Zeichnung zeigt eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Freikolbenvorrichtung, die insbesondere einen Freikolbenmotor 12 ausbildet.

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst ein äußeres Gehäuse 14, das vorliegend quaderförmig ist und als Flachgehäuse ausgestaltet ist. Das Gehäuse 14 definiert zwischen einer oberen Wand 16, einer unteren Wand 18 und einer Seitenwand 20 einen Aufnahmeraum 22.

Im Gehäuse 14 ist eine Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Die Kolbenaufnahme 24 ist längserstreckt und definiert eine Achse 26 der Freikolbenvorrichtung 10. Die Kolbenaufnahme 24 weist ein in einzelne Abschnitte unterteiltes Gehäuse 28 von ungefähr hohlzylindrischer Gestalt auf. In dem Gehäuse 28 ist eine Kolbenlaufbuchse 30 der Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Die Kolbenlaufbuchse 30 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und in einen mittleren Abschnitt des Gehäuses 28 eingesetzt (Figuren 3 bis 5).

In einer Wandung 32 der Kolbenlaufbuchse 30 und damit der Kolbenaufnahme 24 sind Öffnungen gebildet. Die Öffnungen umfassen zum einen Einlassöffnungen 34 und zum anderen Auslassöffnungen 36. Vorliegend sind jeweils sieben Einlassöffnungen 34 und Auslassöffnungen 36 vorhanden, wobei deren jeweilige Anzahl auch unterschiedlich sein könnte. - -

Die Einlassöffnungen 34 sind von den Auslassöffnungen 36 axial beabstandet. "Axial" und "radial" bezieht sich vorliegend auf die Achse 26. "Axial" schließt auch eine parallel zur Achse 26 verlaufende Richtung ein.

Die jeweiligen Einlassöffnungen 34 sind in Umfangsrichtung der Achse 26 im Wesentlichen an derselben Position in der Wandung 32 gebildet. Entsprechendes gilt für die Auslassöffnungen 36. Die Einlassöffnungen 34 und die Auslassöffnungen 36 sind beispielsweise schlitzförmig oder schachtförmig ausgestaltet.

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst zwei Kolbeneinrichtungen 38, 40. Die Kolbeneinrichtungen 38, 40 sind axial hin- und herbeweglich in der Kolbenaufnahme 24 angeordnet. Jede Kolbeneinrichtung 38, 40 weist einen (Verbren- nungs-)Kolben 42 auf, eine Kolbenstange 44 und einen Gegenkolben 46. Die Kolben 42 umfassen jeweils eine Kolbenfläche 48 und sind in Gegenkolbenanordnung positioniert, wobei die Kolbenflächen 48 einander zuweisen.

Die Kolbenaufnahme 24 umfasst einen von der Wandung 32 begrenzten Brennraum 50. Der Brennraum 50 ist in Folge der gegenläufigen Bewegung der Kolbeneinrichtungen 38, 40 größenveränderlich und zwischen den Kolbenflächen 48 gebildet.

Die Kolbenstange 44 verbindet den Kolben 42 mit dem Gegenkolben 46, wobei vorliegend beide Kolben 42, 46 kippbeweglich an der Kolbenstange 44 gehalten sind. Jedoch ist auch eine starre Verbindung denkbar. Quer zur Achse 26 stehen von der Kolbenstange 44 Vorsprünge 52 auf einander gegenüber liegenden Seiten ab. Die Vorsprünge 52 treten aus dem Gehäuse 28 aus und ragen in den Aufnahmeraum 22 hinein. Figur 5 zeigt schematisch die Konturen der Vorsprünge 52. Die Kolbenstange 44 weist dadurch eine ungefähr kreuzförmige Gestalt auf.

Die Freikolbenvorrichtung 10 umfasst jeder Kolbeneinrichtung 38, 40 zugeordnet eine Rückfedereinrichtung 54. Die Rückfedereinrichtung 54 umfasst vorlie- - - gend eine Gasfeder 56 mit einem Rückfederraum. Der Rückfederraum ist vom Gehäuse 28 gebildet und endseitig an diesem angeordnet.

Bewegen sich die Kolbeneinrichtungen 38, 40 in Folge der Verbrennung im Brennraum 50 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, wird ein Gas im Rückfederraum durch den Gegenkolben 46 komprimiert, bis der Kolben 42 seinen unteren Totpunkt einnimmt (in Figur 2 dargestellt). Bei der Expansion des Gases im Rückfederraum wird die jeweilige Kolbeneinrichtung 38, 40 wieder in die Gegenrichtung verschoben.

Die Freikolbenvorrichtung 10 weist zwei Energiekopplungseinrichtungen 58 auf, wobei jeder Kolbeneinrichtung 38, 40 eine Energiekopplungseinrichtung 58 zugeordnet ist. Jede Energiekopplungseinrichtung 58 umfasst eine erste Einheit 60 und eine zweite Einheit 62. Die Einheiten 60, 62 sind jeweils seitlich neben der Kolbenaufnahme 24 positioniert, jedoch auf einander gegenüberliegenden Seiten derselben. Beide Einheiten 60, 62 definieren eine gemeinsame Ebene, in der die Kolbenaufnahme 24 angeordnet ist.

Die Energiekopplungseinrichtungen 58 sind im Aufnahmeraum 22 des Gehäuses 14 aufgenommen. Jeder Einheit 60, 62 ist ein Raumbereich 64 des Aufnahmeraumes 22 zugeordnet, wobei jeder Raumbereich 64 von der oberen Wand 16, der unteren Wand 18, der Seitenwand 20 und der Kolbenaufnahme 24 begrenzt ist.

Jede Einheit 60, 62 ist durch einen Lineargenerator 66 mit einer Läuferanordnung 68 und einer Statoranordnung 70 gebildet. Die Läuferanordnung 68 ist über den Vorsprung 52 mit der Kolbenstange 44 verbunden und im Aufnahmeraum 22 parallel zur Achse 26 verschiebbar geführt. Die Läuferanordnung 68 umfasst Magnete. Die Statoranordnung 70 umfasst in der Zeichnung nicht einzeln dargestellte Spulen, die oberhalb und unterhalb der Läuferanordnung 68 angeordnet sind. - -

Figur 5 zeigt die Konturen der Läuferanordnungen 68 und der Statoranordnungen 70 zweier Einheiten 60, 62. Da der Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 38 in der Zeichnung den unteren Totpunkt einnimmt, verläuft die Schnittansicht vorliegend nicht durch die Läuferanordnungen 68, die erst bei (gedachter) Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 verschoben werden und die Schnittebene durchqueren.

Über die Energiekopplungseinrichtung 58 besteht die Möglichkeit, Energie in die Kolbeneinrichtung 38 oder 40 einzukoppeln bzw. dieser Energie zu entziehen. Dies erlaubt es, die Bewegung der Kolbeneinrichtung 38 oder 40 im Betrieb der Freikolbenvorrichtung 10 zu steuern. Die Energiekopplungseinrichtungen 58 sind zu diesem Zweck von einer Steuereinrichtung 72 (Figur 2) der Freikolbenvorrichtung 10 ansteuerbar.

Die Freikolbenvorrichtung 10 arbeitet vorliegend nach dem Zweitaktverfahren. Eine Verbrennung im Brennraum 50 treibt die Kolben 42 ausgehend vom oberen Totpunkt auseinander, so dass diese in der Kolbenlaufbuchse 30 axial verschoben werden. Die Verschiebung erfolgt bis zu einem jeweiligen unteren Totpunkt der Kolben 42. Nehmen die Kolben 42 den unteren Totpunkt ein, sind die Einlassöffnungen 34 vom Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 40 freigegeben, und die Auslassöffnungen 36 sind vom Kolben 42 der Kolbeneinrichtung 38 freigegeben. Dies ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt.

Beim Ladungswechsel, wenn die Einlassöffnungen 34 und die Auslassöffnungen 36 freigegeben sind, wird der Brennraum 50 gespült. Frischgas strömt über die Einlassöffnungen 34 in den Brennraum 50. Abgas kann über die Auslassöffnungen 36 aus dem Brennraum 50 abgeführt werden. Es wird eine Längsspülung des Brennraumes 50 über die axial voneinander beabstandeten Öffnungen 34, 36 vorgenommen.

"Frischgas" ist vorliegend ein Gas oder ein Gasgemisch (insbesondere Luft) für die innere Verbrennung. Dem zugeführten Frischgas kann ein Brennstoff beigemischt sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass dem in - - den Brennraum 50 eingeströmten Frischgas über eine Einspritzeinrichtung ein Brennstoff beigemischt wird . Die Zündung der Ladung kann mittels einer Zündeinrichtung erfolgen, die von der Steuereinrichtung 72 ansteuerbar ist. Denkbar ist auch eine Selbstzündung, je nach dem Mischungsverhältnis von Frischgas und Abgas.

Die Verbrennung im Brennraum 50 führt zu einer hohen Temperatur der Wandung 32. Aufgrund der Längsspülung des Brennraumes 50 ist die Kolbenlaufbuchse 30 axial im Bereich der Auslassöffnungen 36 thermisch wesentlich höher belastet als axial im Bereich der Einlassöffnung 34. Heißes Abgas führt zu einer starken Erwärmung im Bereich der Auslassöffnungen 36, wohingegen die Temperatur im Bereich der Einlassöffnungen 34 deutlich geringer ist. Auch durch einströmendes kühles Frischgas wird dort eine Kühlung erzielt.

Zum Kühlen der Wandung 32 ist an der Kolbenaufnahme 24 eine Kühleinrichtung 74 angeordnet. Die Kühleinrichtung 74 weist einen Kühlkanal 76 auf.

Der Kühlkanal 76 kann mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, insbesondere Wasser, um Wärme von der Kolbenaufnahme 24 an deren Kolbenlaufbuchse 30 und deren Gehäuse 28 abzuführen. Zur Förderung des Kühlmediums kann die Freikolbenvorrichtung eine in der Zeichnung nicht dargestellte Pumpe aufweisen. Bei einer vorteilhaften Umsetzung der Freikolbenvorrichtung 10 erweist sich ein Strom des Kühlmediums von ungefähr fünf Litern bis zehn Litern pro Minute als vorteilhaft. Die Temperatur des Kühlmediums kann zum Beispiel ungefähr 90°C betragen.

Der Kühlkanal 76 weist mehrere Kühlbereiche auf. Insbesondere ist ein erster Kühlbereich 78 vorgesehen, ein zweiter Kühlbereich 80, zwei dritte Kühlbereiche 82 und ein vierter Kühlbereich 84.

Der erste Kühlbereich 78 ist zu der den Einlassöffnungen 34 abgewandten Seite der Auslassöffnungen 36 angeordnet. Am ersten Kühlbereich 78 bildet der - -

Kühlkanal 76 einen Ringkanal, der die Wandung 32 in Umfangsrichtung der Achse 26 vollständig umgibt.

Der erste Kühlbereich 78 ist aufstromseitig am Kühlkanal 76 angeordnet. Das Kühlmedium kann über an den ersten Kühlbereich 78 angeschlossene Anschlusselemente 86 zuströmen.

Der zweite Kühlbereich 80 ist zu der den Einlassöffnungen 34 zugewandten Seite der Auslassöffnungen 36 angeordnet. Die Kühlbereiche 78 und 80 sind somit auf axial gegenüberliegenden Seiten der Auslassöffnungen 36 positioniert. Der zweite Kühlbereich 80 ist somit zwischen den Einlassöffnungen 34 und den Auslassöffnungen 36 angeordnet.

Am zweiten Kühlbereich 80 ist der Kühlkanal 76 ebenfalls als Ringkanal ausgestaltet, der die Wandung 32 in Umfangsrichtung der Achse 26 vollständig umgibt. Es können Durchgangsöffnungen in der Wandung 32 für daran anschließbare Leitungen gebildet sein. Die Leitungen sind insbesondere zum Zuführen von Brennstoff und/oder elektrischer Energie zum Brennraum 50 vorgesehen. Die Leitungen können von dem den zweiten Kühlbereich 80 durchströmenden Kühlmedium umströmt werden.

Der erste Kühlbereich 78 und der zweite Kühlbereich 80 sind über die dritten Kühlbereiche 82, auf die nachfolgend noch eingegangen wird, miteinander strömungsverbunden.

Der vierte Kühlbereich 84 ist zu der den Auslassöffnungen 36 abgewandten Seite der Einlassöffnungen 34 angeordnet. Die Kühlbereiche 80 und 84 sind somit axial auf gegenüberliegenden Seiten der Einlassöffnungen 34 positioniert. Am vierten Kühlbereich 84 bildet der Kühlkanal 76 einen Ringkanal, der die Achse 26 in Umfangsrichtung vollständig umgibt.

Der zweite Kühlbereich 80 und der vierte Kühlbereich 84 sind über in der Zeichnung nicht gezeigte Fluidleitungen miteinander strömungsverbunden. - -

Anschlusselemente 88 am zweiten Kühlbereich 80 und Anschlusselemente 90 am vierten Kühlbereich 84 können zum Anschließen der Fluidleitungen vorgesehen sein.

Der vierte Kühlbereich 84 ist abstromseitig am Kühlkanal 76 angeordnet. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, die Kolbenaufnahme 24 ausgehend vom ersten Kühlbereich 78 bis zum vierten Kühlbereich 84 wirkungsvoll zu kühlen. Dabei wird zunächst der besonders heiße Bereich der Kolbenaufnahme 24 an und nahe den Auslassöffnungen 36 mit dem noch verhältnismäßig kühlen Kühlmedium gekühlt. Anschließend wird die Kolbenaufnahme 24 im Bereich der Mitte des Brennraumes 50 gekühlt, und schließlich die Kolbenaufnahme 24 im Bereich der Einlassöffnungen 34, wo eine deutlich geringere Temperatur vorherrscht als im Bereich der Auslassöffnungen 36.

Wie erwähnt ist die Kolbenlaufbuchse 30 in das Gehäuse 28 eingesetzt. Der erste Kühlbereich 78, der zweite Kühlbereich 80 und der vierte Kühlbereich 84 sind radial zwischen der Kolbenlaufbuchse 30 und dem sie umgebenden mittleren Abschnitt des Gehäuses 28 gebildet. Radial innenseitig begrenzt die Wandung 32 die Kühlbereiche 78, 80 und 84, und radial außenseitig werden diese durch das Gehäuse 28 begrenzt.

In der Zeichnung nicht dargestellte Dichtelemente, insbesondere O-Ringe, dichten den Kühlkanal 76 zwischen der Kolbenlaufbuchse 30 und dem Gehäuse 28.

Die Figuren 6 und 7 zeigen den zum besseren Erkennen mit einer Markierung versehenen von Kühlmittel durchströmbaren Bereich des Kühlkanals 76. Der mit der Markierung (umgedrehtes Komma) in den Figuren 6 und 7 gezeigte Bereich wird vom Kühlmedium eingenommen.

Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, dass der Kühlkanal 76 durch die Ausgestaltung der Kühlbereiche 78, 80 und 84 einen Kühlmantel ausbildet, der die Kolbenlaufbuchse 30 axial außer im Bereich der Einlassöffnungen 34 und - - der Auslassöffnungen 36 mantelförmig umgibt und radial innenseitig von der Wandung 32 sowie radial außenseitig vom Gehäuse 28 begrenzt ist.

Nachfolgend wird auf die Ausgestaltung der Kolbenaufnahme 24 und des Kühlkanals 76 und die erfindungsgemäß erzielbare verbesserte Kühlung der Kolbenaufnahme 24 insbesondere im Bereich der Auslassöffnungen 36 eingegangen. Auch die Übertragung von Wärme an die Einheiten 60, 62 der Energiekopplungseinrichtung 58 kann wie nachfolgend erläutert erheblich verringert werden.

Wie insbesondere aus den Figuren 3 bis 5 ersichtlich ist, sind die Auslassöffnungen 36 in Umfangsrichtung der Achse 26 in der Wandung 32 gebildet. Die Kolbenaufnahme 24 bildet einen außenseitig an der Wandung 32 angeordneten Auslassraum 92. Abgas mündet über die Auslassöffnungen 36 in den sie umgebenden Auslassraum 92. Radial innenseitig wird der Auslassraum 92 von der Wandung 32 begrenzt und radial außenseitig von einer Außenwand 94 des Gehäuses 28. Stirnwände 96 und 98 begrenzen den Auslassraum 92 in axialer Richtung. Die Stirnwände 96, 98 werden, siehe insbesondere Figur 4, durch radiale Vorsprünge der Wandung 32 und des Gehäuses 28 gebildet.

An die Kolbenaufnahme 24 ist eine in der Zeichnung nicht gezeigte Auslassleitung für Abgas angeschlossen. Figur 5 zeigt ein diesbezügliches Anschlusselement 102.

Zwischen benachbarten Auslassöffnungen 36 weist die Wandung 32 Wandsegmente 100 auf. In axialer Richtung erstrecken sich die Wandsegmente 100 über die Länge der Auslassöffnungen 36.

Zum Kühlen der Wandung 32 an den Wandsegmenten 100 umfasst der Kühlkanal 76 Kühlkanalabschnitte 104. Die Kühlkanalabschnitte 104 verlaufen axial, wobei durch jedes Wandsegment 100 mindestens ein Kühlkanalabschnitt 104 verläuft (Figur 5). Die Kühlkanalabschnitte 104 stellen eine Strömungsverbindung vom ersten Kühlbereich 78 zum zweiten Kühlbereich 80 bereit, - - was insbesondere in Figur 7 erkennbar ist. Wärme kann dadurch wirkungsvoll von den besonders heißen Stellen an den Wandsegmenten 100 abgeführt werden.

Eine weitere Strömungsverbindung der Kühlbereiche 78 und 80 wird durch die zwei dritten Kühlbereiche 82 bereitgestellt. Die Kühlbereiche 82 liegen einander bezüglich der Achse 26 gegenüber und ermöglichen eine Kühlung der Kolbenaufnahme 24 an einander gegenüberliegenden Seiten. Die dritten Kühlbereiche 82 dienen insbesondere zum Kühlen der Kolbenaufnahme 24 axial im Bereich der Auslassöffnungen 36.

Die Kühlbereiche 82 sind symmetrisch bezüglich einander gebildet, weswegen nachfolgend nur auf einen der dritten Kühlbereiche 82 eingegangen wird .

Der dritte Kühlbereich 82 umfasst einen ersten Kühlkanalabschnitt 106, einen zweiten Kühlkanalabschnitt 108 und einen dritten Kühlkanalabschnitt 110.

Der erste Kühlkanalabschnitt 106 bildet die Strömungsverbindung mit dem ersten Kühlbereich 78. Der Kühlkanalabschnitt 106 verläuft im Anschluss an den Kühlbereich 78 unter Neigung zur Achse 26, wobei er jedoch nahezu quer zu dieser ausgerichtet ist (Figuren 4 und 6). Der erste Kühlkanalabschnitt 106 verläuft entlang der dem Auslassraum 92 abgewandten Seite der Stirnwand 98.

Der zweite Kühlkanalabschnitt 108 ist radial außerhalb des Auslassraumes 92 angeordnet, in radialer Richtung seitlich neben der Außenwand 94 des Auslassraumes 92. Radial außenseitig ist der zweite Kühlkanalabschnitt 108 durch eine Kanalwand 112 begrenzt. Dadurch ist der dritte Kühlbereich in axialer Richtung zumindest längs der Erstreckung des Auslassraumes 92 von Kühlmedium durchströmbar, wobei der Kühlbereich 82 radial von der Außenwand 94 und der Kanalwand 112 begrenzt ist. - -

Der zweite Kühlkanal abschnitt 108 verläuft axial und ist tangential bezüglich der Achse 26 außenseitig am Gehäuse 28 gebildet. In Umfangsrichtung der Achse 26 erstreckt sich der Kühlbereich 82 am zweiten Kühlkanalabschnitt 108 über einen Teilwinkel . Der zweite Kühlkanalabschnitt 108 überdeckt einen Winkelbereich von ungefähr 50° bis 60°.

Vorliegend ist der zweite Kühlkanalabschnitt 108 als Flachkanal ausgestaltet, wobei dessen Breite quer zur Strömungsrichtung erheblich größer ist als dessen Höhe in radialer Richtung (Figur 5). Die Breite des zweiten Kühlkanalabschnitts 108 beträgt vorliegend mehr als der Durchmesser des Brennraumes. Dadurch bildet der dritte Kühlbereich 82 am zweiten Kühlkanalabschnitt 108 eine verhältnismäßig große Wärmesenke, über die wirkungsvoll Wärme von der Außenwand 94 abgeführt werden kann, die durch die Ableitung des heißen Abgases durch den Auslassraum 92 auftritt.

Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 verbindet den zweiten Kühlkanalabschnitt 108 mit dem zweiten Kühlbereich 80. Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 ist relativ zur Achse 26 geneigt und vorliegend in zwei Pfade 114 unterteilt (Figuren 6 und 7). Der dritte Kühlkanalabschnitt 110 verläuft entlang der dem Auslassraum 92 abgewandten Seite der Stirnwand 96.

Auch die Kühlkanalabschnitte 106 und 110 sind als Flachkanäle ausgestaltet. Ferner erstrecken sie sich in Umfangsrichtung der Achse 26 über denselben Winkelumfang wie der Kühlkanalabschnitt 108.

Das Vorsehen der dritten Kühlbereiche 82 erlaubt es, eine wirkungsvolle Kühlung der Kolbenaufnahme 24 auch entlang der axialen Erstreckung des Auslassraumes 92 sicherzustellen. Die Anforderungen an Auswahl und Anpassung der Materialien werden herabgesetzt, und die Freikolbenvorrichtung 10 ist insgesamt kostengünstiger und einfacher herzustellen und zu betreiben.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass eine Abwärme auf die Raumbereiche 64 und die darin angeordneten Lineargeneratoren 66 vermieden werden kann, - - da die dritten Kühlbereiche 82 zwischen dem Auslassraum 92 und den Raumbereichen 64 angeordnet sind . Die Betriebstemperatur der Lineargeneratoren 66 wird sich dadurch nicht in einem Umfang erhöhen, so dass deren Funktionalität eingeschränkt wird (beispielsweise in Folge einer temperaturbedingten Entmagnetisierung).

Stattdessen ist es sogar möglich, Abwärme der Lineargeneratoren 66 vom Kühlmedium im dritten Kühlbereichen 82 aufzunehmen und abzuführen. Hierzu ist es von besonderem Vorteil, dass die Kanalwand 112 zugleich abschnittsweise eine Wandung des seitlich daneben angeordneten Raumbereiches 64 bildet. Abwärme der Lineargeneratoren 66 kann dadurch auch mittels der Kühleinrichtung 74 abgeführt werden, was die Anforderungen an die innere Kühlung der Lineargeneratoren 66 verringert.

Zugleich wird eine kompakte Bauform der Freikolbenvorrichtung 10 in Flachbauweise durch die seitlich neben der Kolbenaufnahme 24 angeordneten Einheiten 60, 62 möglich.

_ -

Bezugszeichen

10 Freikolbenvorrichtung

12 Freikolbenmotor

14 Gehäuse

16 obere Wand

18 untere Wand

20 Seitenwand

22 Aufnahmeraum

24 Kolbenaufnahme

26 Achse

28 Gehäuse

30 Kolbenlaufbuchse

32 Wandung

34 Einlassöffnung

36 Auslassöffnung

38 Kolbeneinrichtung

40 Kolbeneinrichtung

42 Kolben

44 Kolbenstange

46 Gegenkolben

48 Kolbenfläche

50 Brennraum

52 Vorsprung

54 Rückfedereinrichtung

56 Gasfeder

58 Energiekopplungseinrichtung

60 Einheit

62 Einheit

64 Raumbereich

66 Lineargenerator

68 Läuferanordnung

70 Statoranordnung _ -

72 Steuereinrichtung

74 Kühleinrichtung

76 Kühlkanal

78 erster Kühlbereich

80 zweiter Kühlbereich

82 dritter Kühlbereich

84 vierter Kühlbereich

86 Anschlusselement

88 Anschlusselement

90 Anschlusselement

92 Auslassraum

94 Außenwand

96 Stirnwand

98 Stirnwand

100 Wandsegment

102 Anschlusselement

104 Kühlkanalabschnitt

106 Kühlkanalabschnitt

108 Kühlkanalabschnitt

110 Kühlkanalabschnitt

112 Kanalwand

114 Pfad