专利名称：自由活塞装置以及控制和/或调节该自由活塞装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种自由活塞装置，所述自由活塞装置包括至少一个活塞容纳部； 在相应的活塞容纳部中可线性运动的至少一个活塞机构，该活塞机构具有第一活塞面以及 背离第一活塞面的第二活塞面；以及形成于活塞容纳部中的由第一活塞面界定的膨胀腔， 其中，所述活塞机构在膨胀腔内膨胀的介质的作用下可被驱动。 本发明还涉及一种用于对自由活塞装置进行控制和/或调节的方法，所述自由活 塞装置具有活塞容纳部、在活塞容纳部中可线性运动的活塞机构以及回弹腔。
背景技术：
通过自由活塞装置，例如可以将化学能通过燃烧而部分地被转化成机械能，也就 是活塞机构的动能，并且然后所述机械能又通过线性驱动装置至少部分地被转化成电能。 通过将活塞运动构造成自由活塞运动，实现了活塞的纯线性可运动性，而无须设置曲轴。
相应的装置例如可以作为汽车混合驱动部件使用，并且特别是在与串列式混合设 计方案相结合下使用。所述装置也可以被用作紧凑式的发电单元以进行发电，或者也可以 与例如像基于发动机的废热发电系统(Blockheizkraftwerk)的这种静态的应用相关联下 使用。 活塞装置例如由GB 854 255和DE 22 17 194 C3公知。 具有发电机的内燃装置也由US 6， 199,519 B1、DE 31 03 432 Al、DDR-专利文献 第113 593号、DE 43 44 915 Al或者由P.van Barrigan在Proceedings of the 2000 DOE Hydrogene Program Review上的文章"Advanced internal combustion engine research，， 公知。 由DE 102 19 549 B4公知一种具有电的线性驱动装置的自由活塞装置，该自由活 塞装置包括至少一个活塞容纳部，该活塞容纳部具有至少一个可线性运动地布置在活塞容 纳部内的活塞机构，其中，活塞机构包括转子装置并且在活塞容纳部处布置有定子装置。所 述至少一个活塞机构可以在膨胀腔内膨胀的介质的作用下被驱动，其中，活塞冲程可以通 过线性驱动装置以如下方式可变地调整，即，可以对活塞机构运动的死点(Totp皿kt)进行 限定。 在W0 01/45977 A2中介绍了另一种具有电的线性驱动装置的自由活塞装置。
由EP 1 398 863 Al公知一种自由活塞装置，在该自由活塞装置中第一推移腔和 第二推移腔为分隔开的腔，在第一推移腔中，在受介质作用的至少一个活塞机构内的活塞 是可运动的，在第二推移腔中所分配的转子装置是可运动的。 由DE 197 81 913 Tl公知一种用于控制线性发电机运动的方法，其中，线性发电 机由具有两个在轴线上彼此相对地对齐的并且彼此相对置地布置的活塞的内燃机来驱动。 电流消耗(Stromaufnahme)被以如下方式来控制，即，在发电机的往复运动周期期间受到 阻力，该阻力至少在发电机运动速度的平均的冲程运动范围内基本上成比例地作用于发电 机。在燃烧腔内设置有压力传感器，其中，在达到规定的压力时，控制器触发用于对输送到燃烧腔的混合气体点火的机构。 具有电的线性驱动装置的自由活塞装置由DE 10 2004 062 440 B4公知。自由活 塞装置具有回弹腔，在回弹腔内容纳有气体。在回弹腔处设置有至少一个压力传感器，利用 该压力传感器通过对回弹腔内气体的压力的测量，可以测定活塞机构的位置和/或速度。 由此，通过所测得的压力可以实施对自由活塞装置的控制和/或调节，例如与喷入到膨胀 腔内的燃料、燃料在膨胀腔内的点火时间点和/或布置在膨胀腔处的阀相关地进行控制和 /或调节。 由US 5， 002， 020公知一种混合发动机，该混合发动机包括作往复运动的活塞以
及用于控制/调节和用于功率输出的电磁的传感接受器(Aufnehmer)。 由未先公开的W0 2008/037980 A2公知一种具有双作用系统的自由活塞发动机。
活塞在其一侧获得传统的内部内燃周期并且在其另一侧获得蒸汽膨胀周期。
发明内容
本发明基于如下任务，提供一种开头所述类型的自由活塞装置，所述自由活塞装 置能够以简单方式来实现并且以紧凑的方式构造。 所述任务在开头所述的类型的自由活塞装置中根据本发明以如下方式得以解决， 即，设置在至少一个活塞容纳部中的回弹腔通过第二活塞面界定并且所述回弹腔与至少一 个预压縮室以流体作用的方式连接。 通过根据本发明的解决方案，可以优化地利用所述活塞容纳部的长度。 当膨胀腔与回弹腔之间的间距基本上相应于活塞的相应厚度时，则例如特别可行
的是，将膨胀腔与回弹腔之间的间距最小化。 此外，可行的是，将自由活塞装置模块式地与驱动部件和应用部件一同构造。在根 据本发明的解决方案中，作用元件以简单的方式在驱动部件的后端部处引出。由此，诸如压 縮器和线性驱动装置的应用机构可以模块式地耦合。在此，可行的是多个应用机构的串行 和/或并行耦合。 在根据本发明的解决方案中可行的是，将从膨胀腔到回弹腔的串漏加以利用。在 串漏时，由于活塞机构与活塞容纳部之间的不密封性使得气体从膨胀腔到达回弹腔内。当 回弹腔构成为气弹簧腔时，通过串漏可以维持在回弹腔中的气压，或用于避免回弹腔中的 压力损失。必要时，可以通过对"不密封性"以限定的方式调整而以限定的方式来调整串漏。
回弹腔与至少一个预压縮室以流体作用的方式连接。由此例如可行的是，对气压 进行控制或调节并且由此对回弹腔的弹性特性进行控制或调节。 有利的是，膨胀腔和回弹腔线性依次布置。由此，可以实现具有最小的长度尺寸的 紧凑式结构。 特别地，膨胀腔和回弹腔通过活塞机构的活塞而分隔开，其中，所述活塞具有第一 活塞面和第二活塞面。由此，使得膨胀腔与回弹腔之间的间距最小化。 出于相同的原因也是有利的是，在活塞容纳部的内部长度由膨胀腔的长度、第一 活塞面与第二活塞面之间的间距以及回弹腔的长度组合而成。 当第一活塞面与第二活塞面之间的间距最多占活塞容纳部的总内部长度的30% 时，可以实现紧凑的结构。
特别优选的是，至少一个活塞容纳部具有如下的侧，与活塞机构连接的至少一个 可线性运动的作用元件从所述侧引出。在该作用元件处，可以"提取"机械能，即可以将一 个或多个应用机构耦合到该作用元件上。由此，可以实现具有驱动部件及特别是可替换的 应用部件的自由活塞装置的模块化结构。
特别地，至少一个作用元件是活塞杆。 设置为所述侧是端侧，该端侧以横向于所述活塞机构的运动方向的方式定向。由 此，以简单方式提供驱动部件的耦合侧。 在该侧上，特别地布置由如下的壁，所述臂与第二活塞面相对置。由此，以简单方 式获得机械能的可耦合输出性。 此外，有利的是，所述壁界定了回弹腔。在回弹腔处，不需要输送燃料等并且也不 必引走废气。以此产生了简化的结构。原则上同样可行的是，作用元件从界定膨胀腔的壁 引出。 有利的是，所述壁具有开口，至少一个作用元件引导穿过该开口。由此，以简单方 式耦合输出机械能。 此外有利的是，在所述壁处布置有用于至少一个作用元件的轴承。该轴承 例如是用于推移引导作用元件的滑动轴承。由此，可以改进作用元件的整体支承 (Gesamtlagerung)。 设置为在分区域内，至少一个作用元件引导穿过回弹腔。由此，在简单的机械能 耦合输出可行性的同时，获得了简单的结构。如上所提及的，原则上同样可行的是，至少一 个作用元件引导穿过膨胀腔。 特别有利的是，至少一个作用元件具有用于引入应用机构的联接件。由此，能够以 简单方式对应用机构进行关联，以对驱动部件的机械能加以利用。 有利的是，为膨胀腔分配至少一个进口。由此，可以引入燃料或可以引入能膨胀 (entspa皿bar)的载热介质。 特别地，在所述至少一个进口处布置有优选为可控制的阀，以便能对燃料或能膨 胀的载热介质的输送进行控制。 当为膨胀腔分配了至少一个出口时，则例如燃烧废气或已膨胀的载热介质可以被 引走。 相应地有利的是，在出口处布置有(可控制的)阀。 特别有利的是，回弹腔是气弹簧腔，在该气弹簧腔中容纳有可压縮的介质。该可压 縮介质(气体)在气弹簧腔中处于压力下。由此，导致活塞机构的往复运动。还可行的是， 如W0 03/091556 Al所介绍的那样，对活塞机构的运动进行控制。 此后有利的是，设置有控制装置，用于控制连接，以便能够例如调整回弹腔中的压 力。 在实施例中，至少一个预压縮室通过活塞容纳部的端侧与回弹腔连接。由此，获得 了活塞容纳部和预压縮室的线性的依次连接。 原则上同样可行的是，将至少一个预压縮室与作用元件保持间距地布置。
在另选的实施形式中，作用元件引导穿过至少一个预压縮室。 特别优选的是，在所述至少一个作用元件处布置有至少一个通道，该通道具有第
7一开口和第二开口，其中，第一开口和/或第二开口在回弹腔内和/或预压縮室的预压縮腔 内的位置是依赖于该至少一个作用元件的位置的。由此，可以实现对例如预压縮腔和回弹 腔之间的压力平衡依赖于时间进行控制，而无需存在在外部时间性控制的阀。由此，例如不 再需要使用高压阀。 特别地，在活塞机构的一个或多个位置上，预压縮室与回弹腔借助通道以流体作 用的方式连接。由此，实现了压力平衡。 也可以设置为，所述一个或多个位置处于活塞机构的折返点处或折返点附近。在 此，通过通道和开口的构成原则上可以调整的是涉及到的是上折返点还是下折返点。
可以设置为，在预压縮室中布置有(至少一个)应用机构。通过预压縮室的预压 縮腔可以调整回弹腔中的压力。可以利用如下的壳体来形成预压縮室，在所述壳体中布置 有诸如线性驱动装置的应用机构。由此，在自由活塞装置总长度最小化的情况下，获得紧凑 的结构方式。 例如设置为，至少一个线性驱动装置可以连接或已连接到活塞机构上。所述线性
驱动装置例如构成为线性发电机。于是，可以产生电流。原则上同样可行的是，通过线性驱
动装置来控制活塞机构的运动，如同在WO 03/091556 Al中所介绍的那样。 在此，所述至少一个线性驱动装置具有定子和致动件(Aktor)，所述定子和致动件
与活塞机构的至少一个作用元件连接。活塞机构提供机械能，以产生感应电流。 例如至少一个线性驱动装置在平行于活塞机构运动方向的方向上跟随活塞容纳
部。由此，例如实现很小的横向尺寸。 同样可行的是，至少一个线性驱动装置至少部分地包围至少一个活塞容纳部和/ 或预压縮室。由此，将长度尺寸保持得很小。 例如同样可行的是，至少一个压縮机可连接或已连接到活塞机构处。借助该压縮 机例如对气体或流体进行压縮。 特别地，至少一个压縮机的活塞杆与活塞机构的作用元件连接。 本发明还基于如下任务，S卩，提供一种开头所述类型的方法，该方法能以简单方式实现。 所述任务根据本发明以如下方式得以解决，S卩，在包括活塞容纳部、在活塞容纳部 中可线性运动的活塞机构及回弹腔的自由活塞装置中，回弹腔与预压縮腔之间的流体连接 依赖于活塞机构的位置进行开通或关断，其中，一个或多个活塞机构的活塞杆在回弹腔内 和预压縮腔内引导并且在至少一个活塞杆处布置有具有第一开口和第二开口的至少一个 通道。 根据本发明的方法具有结合根据本发明的装置已经阐明的优点。
在根据本发明的方法中，回弹腔中的压力自动地通过活塞机构的位置进行控制或 调节。例如，将在预压縮腔中的压力设为工作点并且可以进行自动的压力平衡。于是，就不 再需要高压阀来控制或调节在回弹腔中的压力。同时也不再需要时间性控制，这是因为该 控制通过活塞机构的位置"自动地(von selbst)"进行。 特别地，所述第一开口和第二开口都处于流体作用连接。由此，气体交换通过通道 进行。 特别地，活塞机构具有一个或多个位置，其中，第一开口位于回弹腔内而第二开口位于预压縮腔内。于是，在回弹腔与预压縮腔之间能够进行气体平衡并且通过该气体平衡 特别是能够对回弹腔内的压力进行控制或调节。 此外有利的是，活塞机构具有一个或多个位置，在所述位置中，第一开口还有第二 开口要么位于回弹腔内要么位于预压縮腔(Vorraum)内。在预压縮腔与回弹腔之间不能进 行气体交换。
对优选实施例的下列描述用于结合附图对本发明进行详细阐明。其中 图1示出根据本发明的自由活塞装置第一实施例的示意性剖面图； 图2示出根据本发明的自由活塞装置第二实施例的示意图； 图3示出根据本发明的自由活塞装置第三实施例的示意图； 图4示出根据本发明的自由活塞装置第四实施例的示意图； 图5示出根据本发明的自由活塞装置第五实施例的示意图； 图6示出根据本发明的自由活塞装置第六实施例的示意图； 图7示出根据本发明的自由活塞装置第七实施例的示意图； 图8示出第八实施例的示意图； 图9示出第九实施例的示意图； 图10示出第十实施例的示意图。
具体实施例方式
在图1中所示的并且在那里以10标示的、根据本发明的自由活塞装置的第一实施 例包括驱动部件12和应用部件14。所述驱动部件12以往复运动的作用元件16的形式提 供机械能。如同下面还要做详细阐述的，该机械能能够在应用部件14处通过诸如压縮机和 /或线性驱动装置的相应的应用机构而被消耗。 所述驱动部件12包括(至少一个)活塞容纳部18 (气缸)，在该活塞容纳部中布 置有可线性运动的活塞机构20。 所述活塞容纳部18具有活塞腔22，在该活塞腔22中，活塞机构20的活塞24在正 方向/反方向26上是可线性运动的。该正方向/反方向26平行于活塞容纳部18的纵轴 线28。 所述活塞24具有第一活塞面30和与其相对置的第二活塞面32。第一活塞面30 和第二活塞面32例如是相互平行的。在一实施方式中，例如活塞24的实心材料位于第一 活塞面30与第二活塞面32之间。 可替代地，活塞24可以在第一活塞面30与第二活塞面32之间具有一个或多个空 腔。该空腔例如用在减少质量和/或热去耦。空腔原则上也可以被用于活塞24的内部冷 却。 活塞腔22在第一端侧通过第一端壁34来界定并且在相对置的第二端侧由第二端 壁36来界定。第一端壁34和第二端壁36横向于纵向28并且由此也以横向于运动方向26 的方式来定向。 膨胀腔38位于第一端壁34与第一活塞面30之间，膨胀介质可以在该膨胀腔38
9中膨胀并且在此，能够对活塞24施加力。 在第二活塞面32与第二端壁36之间形成回弹腔40，该回弹腔40例如构成为气弹簧腔。于是，在该回弹腔40中，容纳有可压縮的介质并且特别是气体。所述可压縮的介质负责活塞24的回弹。 可替代地或额外地，在回弹腔40内能够布置有一个或多个机械的弹簧元件41。至
少一个弹簧元件41铰接在活塞22并且直接地或间接地支撑在第二端壁36。 活塞腔22的总体积由膨胀腔38容积、回弹腔40容积和活塞24体积的总和组成。
膨胀腔38容积相对于回弹腔40容积的比例是依赖于活塞机构20的活塞24的位置的。该
活塞24在活塞腔22中以如下方式来布置和引导，即，膨胀腔38和回弹腔40彼此气密性地密封。 原则上由于密封件公差，在膨胀腔38与回弹腔40之间可能有串漏。从膨胀腔38到达回弹腔40内的流体(特别是气体)在回弹腔40中用作弹性的介质。串漏可以用于保持压力或降低回弹腔40内的压力损失。由此，也许可以取消用于维持回弹腔40中压力的固定的泵并且以如此紧凑而成本低廉的方式实现自由活塞装置。 活塞机构20具有活塞杆42，该活塞杆42置于活塞24上并且引导穿过回弹腔40。第二端壁36具有开口 44，(气密性的)活塞杆42引导穿过开口 44。在该开口44处布置有例如呈滑动轴承形式的轴承件46，以便支承活塞杆42并且由此对处于在正方向/反方向26上的可线性运动中的活塞机构20进行支承。 在图1所示的实施例中，回弹腔40相对于外部空间是密封的，从而在回弹腔40中的可压縮介质不会穿过开口 44向外渗透。 活塞杆42形成作用元件16。在该活塞杆42处，优选在其外端部上布置有联接件48，可以将以获取提供的机械能的应用机构耦合到该联接件48上。 第二端壁36形成驱动部件12的外端部或位于驱动部件12的端侧外端部附近。于是，应用机构能够以在纵向18上跟随驱动部件12的方式连接；所述应用机构可以一定程度上与驱动部件12依次连接。 回弹腔40与膨胀腔38 —样形成在相同的活塞容纳部18中。活塞24形成了对于膨胀腔38和回弹腔40的分隔件。 第一活塞面30例如是圆形的。第二活塞面32例如是环形的。 —个或多个应用部件14可以模块式地连到驱动部件12上，所述应用部件14利用
由驱动部件12提供的机械能。 膨胀腔38和回弹腔40在相同的活塞腔中形成。由此，活塞容纳部18能够以在纵轴线28上相对小的长度尺寸来紧凑地构造。 作用元件16 (在正方向/反方向26上)的振荡式推移运动由在膨胀腔38中进行膨胀的气体来驱动。 在一个实施方式中，在膨胀腔38中的膨胀介质是燃烧气体。在活塞容纳部18处，为膨胀腔38布置有(至少一个)进口 50，燃料或燃料-氧化剂混合物通过该进口可以被引入到膨胀腔38中。原则上可行的是，为燃料和氧化剂设置分开的进口。在该进口50上布置有阀52，该阀52特别地是可以控制的。通过该阀52可以对燃料或燃料_氧化剂混合物的引入进行控制。
在活塞容纳部18上还布置(至少一个)出口54，通过该出口54，可以从膨胀腔38
中引走介质。特别地，可以从膨胀腔38中引走废气。 在出口 54处布置阀56，以便实现受控制的引走过程。 为膨胀腔38配有用于点燃燃料_氧化剂混合物的点火装置57。原则上也可以应 用自点火介质。 在一实施方式的变动方案中，在膨胀腔38中进行膨胀的介质是载热介质，该载热 介质在膨胀腔38外产生或被加热。该载热介质能够在膨胀腔38中膨胀并且由此驱动活塞 24处于其振荡运动中。 在这种情况下，进口 50用在将可膨胀的载热介质可控制地弓I入到膨胀腔38中。通 过出口 54引走"已膨胀的"载热介质。 为了测量在回弹腔40中的压力，可以为回弹腔分配一个或多个压力传感器53。所 述一个或多个压力传感器53例如布置在第二端壁36上。 同样地，可以为膨胀腔38分配一个或多个压力传感器55，所述压力传感器55用来 测量膨胀腔中的压力。该一个或多个压力传感器特别地被布置在第一端壁34处。
此外，可以为膨胀腔38分配至少一个喷入阀51，通过该喷入阀51例如可以喷入燃 料。 自由活塞装置的在图2中所示的并在那里以58标示的第二实施方式基本上与第 一自由活塞装置10—样构成。因此，对于相同的元件使用相同的参考标号。
额外地，为回弹腔40分配具有预压縮腔62的(至少一个)预压縮室60。该预压 縮室60相对于作用元件16保持间距地布置。该预压縮室60例如被布置在由第二端侧64 限定的端部的后面。预压縮腔62与回弹腔40通过可控制阀66以流体作用的方式连接。通 过该预压縮室60例如可以对回弹腔40中的气体弹簧的压力进行调整。特别是可以对所述 压力进行控制或调节，并进而与自由活塞装置58的特定的运行模式相配合。
在一个实施方式中，对在回弹腔40的气体弹簧的下死点处的压力进行控制。在回 弹腔40的下死点(UT)处回弹腔40具有其最大的体积并且压力的控制/调节是最容易的。
将泵67连到预压縮腔62上，该泵67用于对预压縮室60施加压力。
例如通过预压縮室60同样可行的是，对回弹腔40中的压力损失进行补偿。
根据本发明的自由活塞装置在图3中所示的并在那里以68标示的第三实施方式 包括具有第一端侧72和第二端侧74的活塞容纳部70。在该活塞容纳部70中，具有活塞 78和活塞杆80的活塞机构76是可线性运动的。该活塞杆80形成为作用元件82，通过该 作用元件82可以将机械振荡能传递给应用机构。在作用元件82的端部上布置有用于耦合 应用机构的联接件84。 活塞容纳部70包括膨胀腔86和回弹腔88，该膨胀腔86和回弹腔88基本上以相 同的方式构成并且如上所介绍地起作用。 在第二端侧74处布置有预压縮室90，在该预压縮室90中形成预压縮腔92。预压 縮室的第一端侧94面对活塞容纳部70的第二端侧74并且该预压縮室的第一端侧94例如 与活塞容纳部70的第二端侧74相贴靠或与活塞容纳部70的第二端侧74相重合。第二端 侧96背离活塞容纳部70的第二端侧74。 预压縮室90和活塞容纳部70以依次连接的方式布置。该预压縮室90平行于活
11塞机构76的运动方向地连接活塞容纳部70。 在第二端侧96处、在相应的端壁中，预压縮室90具有开口 98，作用元件82引导穿过开口98。在该开口 98上特别地布置诸如滑动轴承的轴承件，用于支承作用元件82。该轴承件和该作用元件82朝向外部空间是密封的。 在活塞容纳部70的第二端侧74上，在相应端壁100上布置有开口 102，作用元件82同样引导穿过该开口 102。特别地布置轴承件，例如为滑动轴承。在此，该开口98位于回弹腔88与预压縮室的预压縮腔92之间。该开口 98关于作用元件82以如下方式密封，即，在外部空间与预压縮腔92之间不能通过开口 98进行气体交换。 预压縮室90具有一个或多个开口 104，通过该开口 104实现了预压縮腔92中的压力控制。 在作用元件82上布置有(至少一个)通道106，该通道106在作用元件的外侧具有第一开口 108和第二开口 110。通过该通道106，气体可以经由第一开口 108和第二开口110流动。在通道106的外部，作用元件82由气密性的材料制成。 由通道106提供"自动阀"，该"自动阀"根据作用元件82的位置使得在预压縮腔92与回弹腔88之间的流体交换成为可能或不可能。 在图3中示出的作用元件的位置中，第二开口 110位于预压縮腔92中并且第一开口 108位于回弹腔88中。由此，可能进行预压縮腔92与回弹腔88之间的压力平衡。由此，通过预压縮腔92的压力能够对回弹腔88中的压力进行控制，该控制过程例如具有如下目标，即，实现在回弹腔88气体弹簧的可变的弹簧特征曲线。 由此可行的是，该特征曲线在空间上以限定的方式进行调整(关于活塞位置)和/或在时间上以确定的方式进行调整。由此，原则上可以对应每个活塞位置和对应每个时间点都调整出确定的弹簧刚度。 通道106形成如下的阀，该阀不必在外部接入，而是实现了"自调节"。当依赖于第一开口 108和第二开口 110的位置(以及通道106的几何尺寸)实现了第一开口 108位于回弹腔88中并且第二开口 110位于预压縮腔92中时，则能够在那里进行压力平衡。于是，不需要用于回弹腔88的高压阀。另外，也不再需要从外部进行时间性的阀控制，这是因为作用元件82的位置自己对压力平衡进行控制。 当第一开口 108和第二开口 110都位于回弹腔88时，或者第一开口 108和第二开口 110都位于预压縮腔92时，则就不能进行压力平衡。 在所示实施例中，当活塞78位于活塞机构76运动的折返点处或位于折返点附近时，则进行压力平衡。在此，依据具有其第一开口 108及其第二开口 110的通道106的构成可以调整的是，位于回弹腔88与预压縮腔92之间的流体作用的连接是位于下折返点上或处于下折返点附近，还是位于上折返点上或处于上折返点附近。 通过在开口 98和/或开口 102上对作用元件82的支承并且特别是对作用元件82的滑动支承轴承，使得活塞78不再具有引导任务。于是，该活塞78基本上只须负责膨胀腔86与回弹腔88之间的密封。 在根据本发明的自由活塞装置的图4中所示的并在那里整体上以112标示的第四实施方式中，设置有驱动部件114，如其结合图2已经介绍的那样。该驱动部件的作用元件17通过联接件48耦合到线性驱动装置的致动件116上。所述致动件116是可以通过作用元件16线性地往复推移的。 致动件116在磁场中运动和/或产生随着致动件116运动的磁场。由此，在与合适的定子的共同作用下特别地产生感应电流。 所述致动件116以与纵轴线118保持间距的方式承载有磁体件120，该磁体件120例如包括永磁体122，该永磁体122具有在纵向上平行于纵轴线118的交变极性。
驱动部件114以位置固定的方式来布置。这在图4中通过支座124来表明。定子126同样以位置固定的方式来布置，该定子126与致动件116共同作用。该定子126例如包括绕组128。所述磁体件120通过作用元件16的往复运动及致动件116的由此引起的往复运动而相对定子126进行运动。由此，以感应的方式产生可获取的电流。相应的线性驱动装置130作为提供电流的线性发电机起作用。由驱动部件114产生的机械能可以在线性驱动装置130处转化为电流。 但原则上同样可行的是，使用线性驱动装置130对驱动部件114的活塞机构进行控制/调节。这正如WO 03/091556 Al中介绍的那样，特别地可以对该文献进行参引。
线性驱动装置130与作用元件16相耦合。也可以额外地或可替代地耦合其他应用机构。 致动件116也可以设有一个或多个电磁体。该致动件116具有短路线圈。同样可
行的是，该致动件116承载有由能导磁的材料制成的"无源的(passiv)"齿式结构。 在图5所示的并在那里以132标示的第五实施方式中，还设置有驱动部件114。将
压縮机134耦合到驱动部件114的作用元件16上。该压縮机可以用来压縮气体或液体。例
如可以是用于制冷剂的压縮机、液压压縮机或水压縮机(例如作为泵)。 作用元件16耦合到压縮机的活塞136，该活塞136在相应的气缸138内引导。该
作用元件16直接与活塞136或活塞杆140连接，该活塞杆置于活塞136上。在端壁142与
活塞140之间形成压縮机腔144。 一个或多个进口 146通入该压縮机腔144中，控制阀148
相应地置于所述进口 146处。通过该进口 146可以引入待压縮的介质。 另外，一个或多个出口 150置于端壁142上，控制阀152分别置于所述出口 150处。
已压縮的介质可以通过该出口引走。 图5中所示的压縮机在该意义上是单级(einstufig)的，即该压縮机只具有一个压縮机腔144。 在图6所示出的并在那里以154表示的第六实施方式中，又存在驱动部件114，该驱动部件114以作用元件16与压縮机158的活塞156相耦合。将该活塞156布置在气缸160中，该气缸160朝向第一端壁162及朝向第二端壁164(直至进口和出口 )是闭合的。在该气缸160中形成第一压縮机腔166和第二压縮机腔168。依照这种方式，该压縮机158是单级的。在第一压縮机腔166中还有在第二压縮机腔168中都可以对介质进行压縮。由此，获得加倍的作用成效，这是因为在活塞156往、复的运动中都可以进行相应的压縮过程。运动幅度(Pulsation)可以减小。可以利用不同的压縮介质，以便优化整个过程。结构空间也可以被最小化。 在第一压縮机腔166和第二压縮机腔168上分别设置有一个或多个进口和一个或多个出口 ，以便能够引入待压縮的介质并且能够输出已压縮的介质。 压縮机158与驱动部件114以串联的方式(成串地)连接。额外地，例如与线性驱动装置130相同地构造的线性驱动装置能够以串联的方式连接。对此，该线性驱动装置的相应致动件116耦合到活塞杆170，活塞156置于该活塞杆170上。该活塞杆170又与作用元件16相耦合。 同样可行的是，多个应用部件并行地运行。在等效图解(Ersatzschaltbild)中，将并行运行的应用部件作为串接于驱动部件12的组合件接入。 由自由活塞装置154的驱动部件114将作用元件16置于线性的往复运动中。该运动通过耦合而传递到活塞杆170上并且也传递到致动件116上。通过该活塞杆170使压縮机158运行。通过致动件116在线性驱动装置130处，产生电流。 在图7中示出的并在那里以172标示的自由活塞装置的第七实施方式中，具有驱动部件174，该驱动部件174相应于根据图3的驱动部件。将相应的作用元件82耦合到线性驱动装置178的致动件176上。该致动件176例如呈罐形地构造。该致动件176包围预压縮室90和部分地包围活塞容纳部70。由此，具有线性驱动装置178的自由活塞装置172长度尺寸可以保持得很小。(由此，也许会增加在纵向上的横向尺寸。)
致动件176例如承载有磁体件180。该磁体件180将通过作用元件82而相对于位置固定的定子182运动。由此，可以产生电流。 根据本发明，提供一种自由活塞装置，在该自由活塞装置中，在驱动部件处可以获取机械能。由此，获得模块化的结构。可以将例如一个或多个压縮机及一个或多个线性驱动装置的应用机构进行耦合。 还设置为，膨胀腔和回弹腔彼此直接相邻。该膨胀腔和回弹腔通过相同活塞的相对面来界定。由此，在长度方面取得紧凑的结构。 在图8所示的并在那里以184标示的根据本发明的自由活塞装置的第八实施方式中，该结构基本上与自由活塞装置IO相同。对于相同的元件使用与在自由活塞装置10中相同的参考标号。活塞24在活塞容纳部186中引导，该活塞容纳部186具有第一端壁188和相对置的第二端壁190。在界定回弹腔40的第二端壁190上布置有(至少一个)控制阀192。在该自由活塞装置184中，回弹腔40是气弹簧腔。通过控制阀192可以是过剩气体从回弹腔40中排出。 活塞24在活塞容纳部186的内侧194上引导。活塞24的引导面196是活塞24的朝向活塞容纳部186的活塞外周表面。在引导面196与内侧194之间基本上存在不密封性，由于该不密封性，流体、并且特别是气体可以从膨胀腔38进入回弹腔40。这在图8是通过箭头198表明。 当在膨胀腔38中的压力高于在回弹腔40中的压力时，则气体由于所述不密封性而从膨胀腔38压入回弹腔40。这被称为串漏。该串漏被用于维持构造为气弹簧腔的回弹腔40中的压力或减少在那里的压力损失。通过控制阀192可以使过剩气体从回弹腔40排出。 除此之外，自由活塞装置186与自由活塞装置10 —样地起作用。
在根据本发明自由活塞装置的图9中示意性示出的并在那里以202标示的第九实施例中，与自由活塞装置184的驱动部件相应的驱动部件204连到预压縮室206。至少一个控制阀192处于与预压縮室206的预压縮腔208以流体作用的方式连接中。在此，至少一个控制阀192被设置成双向的控制阀或者不同的单向的控制阀，以使得驱动部件204的回
14弹腔40与预压縮腔208之间双向压力交换成为可能。 预压縮室206具有开口 210，驱动部件204的作用元件16穿过该开口 210。作用元 件16支承在该开口 210处并且特别是以可滑动推移的方式来支承。该开口是密封的。在 预压縮腔208的内部布置磁体件，该磁体件相应于磁体件120。因此应用相同的参考标号。 然后，该作用元件16连到致动件116上。该致动件116同样位于预压縮腔208内。
预压縮室206中容纳有磁体件。该磁体件静态地布置。该磁体件作为整体形成了 应用部件212，在该应用部件212上连有驱动部件204。 泵214连到预压縮腔208上，通过该泵214可以对预压縮腔208内限定的压力进 行调整。该泵214例如是通过三通阀216连接。 通过该泵214来调整预压縮腔208内的压力。借助控制阀192来通过预压縮腔 208内的压力来调整回弹腔40内的压力。 借助磁体件120，通过作用元件16的运动而产生电流。 除此之外，自由活塞装置202与上述结合其他实施例介绍的自由活塞装置一样起 作用。 图10所示的并在那里以218标示的第十实施方式包括第一驱动部件220和第二 驱动部件222。该驱动部件220和222例如同以上介绍的驱动部件114 一样地构成。
第一驱动部件220和第二驱动部件222彼此镜面对称地布置。为第一驱动部件 220和第二驱动部件222配有燃料-氧化剂混合物用的输送装置224以及用于废气的共用 的引走装置226。以此形成了双系统。 第一应用部件228连到第一驱动部件220上并且第二应用部件230连到第二驱动
部件222上。应用部件228和230例如相应于如上所介绍的线性驱动装置130。 所述布置方案优选地相对于中间平面232是对称的。由此，在实现驱动部件
220-应用部件228与驱动部件222-应用部件230在双系统中质量相等。驱动部件220、222以及应用部件228、230如上所介绍的那样起作用。 参考标号列表 10 自由活塞装置 12 驱动部件 14 应用部件 16 作用元件 18 活塞容纳部 20 活塞机构 22 活塞腔 24 活塞 26 方向 28 纵轴线 30 第一活塞面 32 第二活塞面 34 第一端壁 36 第二端壁
38膨胀腔40回弹腔41弹簧元件42活塞杆44开口46轴承件48联接件50进口51喷入阀52阀53压力传感器54出口55压力传感器56阀57点火装置58第二实施方式60预压縮室62预压縮腔64第二端侧66阀67泵68第三实施方式70活塞容纳部72第一端侧74第二端侧76活塞机构78活塞机构80活塞杆82阀元件84联接件86膨胀腔88回弹腔90预压縮室92预压縮腔94第一端侧96第二端侧98开口100端壁102开口
104开口106通道108第一开口110第二开口112第四实施方式114驱动部件116致动件118纵轴线120磁体件122磁体124支座126定子128绕组130线性驱动装置132第五实施方式134压縮机136活塞138气缸140活塞142端壁144压縮机腔146进口148控制阀150出口152控制阀154第六实施方式156活塞158压縮机160气缸162第一端壁164第二端壁166第一压縮机腔168第二压縮机腔170活塞杆172第七实施方式174驱动部件176致动件178线性驱动装置180磁体件
182定子184第八实施方式186活塞容纳部188第一端壁190第二端壁192控制阀194内侧196引导面198對s202第九实施方式204驱动部件206预压縮室208预压縮腔210开口212应用部件214泵216三通阀218第十实施方式220第一驱动部件222第二驱动部件224输送装置226引走装置228第一应用部件230第二应用部件232中间平面
权利要求
自由活塞装置，所述自由活塞装置包括至少一个活塞容纳部(18；70)；在相应的所述活塞容纳部(18；70)中能线性运动的至少一个活塞机构(20；76)，所述活塞机构(20；76)具有第一活塞面(30)和背离所述第一活塞面(30)的第二活塞面(32)；以及布置在所述活塞容纳部(18；70)中的、由所述第一活塞面(30)界定的膨胀腔(38；86)，其中，所述活塞机构(20；76)借助在所述膨胀腔(38；86)内进行膨胀的介质的作用而能被驱动，其特征在于，布置在所述至少一个活塞容纳部(18；70)内的回弹腔(40；88)由所述第二活塞面(32)来界定，并且所述回弹腔(88)与至少一个预压缩室(90)以流体作用的方式连接。
2. 根据权利要求l所述的自由活塞装置，其特征在于，所述膨胀腔(38 ;86)与所述回 弹腔(40 ;88)线性依次地布置。
3. 根据权利要求1或2所述的自由活塞装置，其特征在于，所述膨胀腔(38 ;86)和所 述回弹腔(40 ;88)由所述活塞机构(20 ;76)的活塞(24 ;78)分隔开，所述活塞(24 ;78)具 有所述第一活塞面(30)和所述第二活塞面(32)。
4. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述活塞容纳部(18; 70)的内部长度由所述膨胀腔(38 ;86)的长度、所述第一活塞面(30)与所述第二活塞面 (32)之间的间距以及所述回弹腔(40 ;88)的长度组成。
5. 根据权利要求4所述的自由活塞装置，其特征在于，所述第一活塞面(30)与所述第 二活塞面(32)之间的间距最多占所述活塞容纳部(18 ;70)总内部长度的30%。
6. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个活塞容纳 部(18 ;70)具有如下的侧(64)，从所述侧(64)中引出与所述活塞机构(20 ;76)连接的、能 线性运动的至少一个作用元件(16 ;82)。
7. 根据权利要求6所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个作用元件(16 ;82) 是活塞杆(42 ;80)。
8. 根据权利要求6或7所述的自由活塞装置，其特征在于，所述侧是如下的端侧(64)， 所述端侧(64)以横向于所述活塞机构(20 ;76)的运动方向(26)的方式定位。
9. 根据权利要求6至8之一所述的自由活塞装置，其特征在于，将壁(36 ;100)布置在 所述侧(64)上，所述壁(36 ;100)与所述第二活塞面(32)相对置。
10. 根据权利要求9所述的自由活塞装置，其特征在于，所述壁(36 ;100)对所述回弹 腔(40 ;88)进行界定。
11. 根据权利要求9或10所述的自由活塞装置，其特征在于，所述壁(36 ;100)具有开 口 (44;102)，所述至少一个作用元件(16 ;82)引导穿过所述开口 (44 ;102)。
12. 根据权利要求10或11所述的自由活塞装置，其特征在于，在所述壁(36 ;100)上 布置有用于所述至少一个作用元件(16 ;82)的轴承。
13. 根据权利要求6至12之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个作用元 件(16 ;82)在分区域内引导穿过所述回弹腔(40 ;88)。
14. 根据权利要求6至13之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个作用元 件(16 ;82)具有用于耦合应用机构的联接件(48 ;84)。
15. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，为所述膨胀腔(38 ;86) 配有至少一个进口 (50)。
16. 根据权利要求15所述的自由活塞装置，其特征在于，将阀(52)布置在所述至少一 个进口处。
17. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，为所述膨胀腔(38 ;86) 配有至少一个出口 (54)。
18. 根据权利要求17所述的自由活塞装置，其特征在于，将阀(56)布置在所述出口 (54)处。
19. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述回弹腔(40 ;88)是 气弹簧腔，在所述气弹簧腔中容纳有能压縮的介质。
20. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于用来控制连接的控制装置。
21. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个预压縮室 (90)通过所述活塞容纳部(70)的端侧(74)与所述回弹腔(88)连接。
22. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个预压縮室 (60)以与作用元件(16)保持间距的方式布置。
23. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，至少一个作用元件 (82)引导穿过所述至少一个预压縮室(90)。
24. 根据权利要求23所述的自由活塞装置，其特征在于，在所述至少一个作用元 件(82)上布置有至少一个通道(106)，所述通道(106)具有第一开口 (108)和第二开口 (IIO)，其中，所述第一开口 (108)和/或所述第二开口 (110)在所述回弹腔(88)内和/或 所述预压縮室(90)的所述预压縮腔(92)内的位置是依赖于所述至少一个作用元件(82) 的位置的。
25. 根据权利要求24所述的自由活塞装置，其特征在于，在所述活塞机构(76)的一个 或多个位置上，所述预压縮腔(92)和所述回弹腔(88)通过所述通道(106)以流体作用的 方式保持连接。
26. 根据权利要求25所述的自由活塞装置，其特征在于，所述一个或多个位置是所述 活塞机构(76)的折返点或是所述活塞机构(76)的所述折返点附近的点。
27. 根据权利要求21至26之一所述的自由活塞装置，其特征在于，在所述预压縮室 (206)中，布置有耦合到所述作用元件(16)上的应用机构。
28. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，至少一个线性驱动装置 (130 ;178)能连到或者已连到所述活塞机构(20 ;76)上。
29. 根据权利要求28所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个线性驱动装置 (130 ;178)具有定子(126 ;182)和致动件(116 ;176)，所述定子(126 ;182)和所述致动件 (116 ;176)与所述活塞机构(20 ;76)的至少一个作用元件(16 ;82)连接。
30. 根据权利要求28或29所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个线性驱动 装置(130 ;178)在与所述活塞机构(20 ;76)的所述运动方向(26)平行的方向上跟随所述 活塞容纳部(18 ;70)。
31. 根据权利要求28或29所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个线性驱动 装置(178)至少部分地包围所述至少一个活塞容纳部(18 ;70)和/或所述预压縮室(60 ; 90)。
32. 根据前述权利要求之一所述的自由活塞装置，其特征在于，至少一个压縮机(134; 158)能连到或已连到所述活塞机构(20 ;76)上。
33. 根据权利要求32所述的自由活塞装置，其特征在于，所述至少一个压縮机(134; 158)的活塞杆与所述活塞机构(20 ;76)的作用元件(16 ;82)连接。
34. 用于控制和/或调节自由活塞装置的方法，所述自由活塞装置包括活塞容纳部； 在所述活塞容纳部中能线性运动的活塞机构；以及回弹腔，在所述方法中，所述回弹腔与所 述预压縮腔之间的流体连接以依赖于所述活塞机构的位置的方式进行开通或关断，其中， 所述活塞机构的一个或多个活塞杆在所述回弹腔和所述预压縮腔内引导，并且所述至少一 个活塞杆具有至少一个通道，所述通道带有第一开口和第二开口 。
35. 根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述第一开口与所述第二开口以流体 作用的方式保持连接。
36. 根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于，在所述活塞机构的一个或多个位 置上，所述第一开口处于所述回弹腔内而所述第二开口处于所述预压縮腔内。
37. 根据权利要求34至36之一所述的方法，其特征在于，在所述活塞机构的一个或 多个位置上，所述第一开口还有所述第二开口都位于所述预压縮腔内或都位于所述回弹腔 内。
全文摘要
自由活塞装置，包括至少一个活塞容纳部；在相应的活塞容纳部中可线性运动的至少一个活塞机构，该活塞机构具有第一活塞面和背离第一活塞面的第二活塞面；以及布置在活塞容纳部中的、由第一活塞面界定的膨胀腔，其中，所述活塞机构借助在所述膨胀腔内进行膨胀的介质的作用而可被驱动，其中，布置在所述至少一个活塞容纳部中的所述回弹腔通过第二活塞面来界定并且所述回弹腔与至少一个预压缩室以流体作用的方式连接。
文档编号H02K7/18GK101755113SQ200880025364
公开日2010年6月23日 申请日期2008年7月21日 优先权日2007年7月23日
发明者于尔根·赫拉夫 申请人:尤姆西通用电机公司