[0001] 本发明涉及一种自由活塞装置，其包括活塞腔，在该活塞腔中设置有至少一个活塞组件，该活塞组件具有能沿轴线往复运动的活塞，其中，活塞腔包括或形成由内壁限定的燃烧室，在该内壁上，在轴向上相间隔地设置有用于输送新鲜气体的至少一个进气口和用于排出废气的至少一个排气口，其中，自由活塞装置包括安装在活塞腔处的冷却装置，该冷却装置用于冷却内壁。

[0002] 在这种通常两冲程运行的自由活塞装置中，活塞组件在活塞腔中来回摆动。在气体-燃料混合物在燃烧室内燃烧的过程中，活塞从上止点移动到下止点。当处于下止点时，至少一个进气口和至少一个排气口打开，并且新鲜气体可以流入燃烧室。废气可以从燃烧室中排出。活塞可以作用为阀体，通过该活塞，在处于下止点时，至少一个进气口或至少一个排气口至少部分地开放，并在活塞向上运动时再次被封锁。活塞的向上运动在自由活塞装置的用于活塞组件的复位弹簧装置的作用下进行。复位弹簧装置例如包括气体弹簧，该气体弹簧具有可通过活塞组件压缩的气体。在气体膨胀时，活塞组件沿相反方向移动，以使活塞向上运动。替代地或附加地，可以设置机械复位弹簧装置。

[0003] 在此，“新鲜气体”理解为用于燃烧室中的内燃的气体或气体混合物(特别是空气)，其中，该气体也可以与燃料混合。因而在此，“新鲜气体”也可以指气体-燃料混合物，其可以通过至少一个进气口流入燃烧室。“废气”在此是指内燃的燃烧产物。

[0004] 在通用的自由活塞装置中，由于用于进气和排气的开口在轴向上相互间隔开，从而形成了扫气压差，并且为进行换气沿轴向对燃烧室吹扫(所谓的“纵向扫气”)。在此，“轴向”和“径向”关系到由活塞腔所限定的轴线，活塞组件沿着该轴线移动。在此，“轴向”包括平行于轴(轴向平行)的走向。

[0005] 由于扫气压差，进气侧和排气侧的内壁温度存在相当大的差异。在至少一个排气口的区域，温度通常可以是例如约1000℃，这限制或妨碍了所用材料的选择和适配。在此，特别是，这种不期望的加热对于自由活塞装置的其他部件来说也可能是存在问题的。在此，特别是应提到对于自由活塞装置所包括的能量耦合装置的不期望的加热，通过这样的加热可能限制该能量耦合装置的功能。通用的自由活塞装置包括位于活塞腔处的冷却装置，该冷却装置用于在内壁区域冷却活塞腔。冷却装置能够加载冷却介质，特别是水。

[0051] 附图示出了附图标记为10的根据本发明的自由活塞装置的优选实施方式，其特别是形成自由活塞式马达12。

[0052] 自由活塞装置10包括外壳体14，该外壳体在此是长方体并设计为扁平壳体。壳体14在顶壁16、底壁18和侧壁20之间限定容置空间22。

[0053] 在壳体14中设置有活塞腔24。活塞腔24纵向延伸并限定自由活塞装置10的轴线26。活塞腔24具有分成单独部分的壳体28，该壳体的形状近似中空的滚筒形。在壳体28中设置有活塞腔24的活塞轴套30。活塞轴套30基本上成中空的滚筒形，并插入壳体28的中段(图
3至5)。

[0054] 在活塞轴套30的内壁32上设置有开口，并且由此形成活塞腔24的开口。该开口一方面包括进气口34，另一方面包括排气口36。在此，分别存在7个进气口34和排气口36，在此，它们各自的数量也可以不同。

[0055] 进气口34与排气口36在轴向上相间隔。在此，“轴向”和“径向”与轴线26相关。“轴向”也包括平行于轴线26延伸的方向。

[0056] 各个进气口34在轴线26的圆周方向上基本形成在内壁32上的相同位置。相应的，这也适用于排气口36。进气口34和排气口36例如设计成狭缝形或井状。

[0057] 自由活塞装置10包括两个活塞组件38、40。活塞组件38、40在轴向上可往复运动地设置在活塞腔24内。活塞组件38、40分别具有(燃烧)活塞42、活塞杆44和对置活塞46。活塞42分别包括活塞面48，并定位为对置活塞，其中活塞面48彼此面对。

[0058] 活塞腔24包括由内壁32限定的燃烧室50。由于活塞组件38、40的对向运动，燃烧室50的大小可变，并且该燃烧室形成于活塞面48之间。

[0059] 活塞杆44将活塞42与对置活塞46相连接，其中，在此，这两个活塞42、46可翻转运动地保持在活塞杆44上。但也可以考虑刚性连接。突出部52在彼此相对的两侧横向于轴线26从活塞杆44突出。该突出部52从壳体28中露出并伸入容置空间22。图5示意性地示出了突出部52的轮廓。由此，活塞杆44具有近似十字形的形状。

[0060] 自由活塞装置10包括与活塞装置38、40分别对应的复位弹簧装置54。在此，复位弹簧装置54包括具有回弹空间的气体弹簧56。该回弹空间由壳体28形成，并设置在其端部上。

[0061] 若活塞组件38、40由于在燃烧室50的燃烧而中从上止点到下止点移动，则回弹空间内的气体被对置活塞46压缩，直到活塞42占据其下止点(如图2所示)。当回弹空间内的气体膨胀时，相应的活塞组件38、40再次沿相反方向滑动。

[0062] 自由活塞装置10具有两个能量耦合装置58，其中，每个活塞组件38、40对应一个能量耦合装置58。每个能量耦合装置58包括第一单元60和第二单元62。单元60、62分别定位于活塞腔24的侧向旁，但分别位于该活塞腔的相对侧。两个单元60、62限定了共同的平面，活塞腔24设置在该共同的平面内。

[0063] 能量耦合装置58容纳在壳体14的容置空间22中。每个单元60、62对应容置空间22的空间区域64，其中，每个空间区域64由顶壁16、底壁18、侧壁20和活塞腔24限定。

[0064] 每个单元60、62由线性发电机66形成，该线性发电机具有转子装置68和定子装置70。转子装置68通过突出部52与活塞杆44相连，并能够在容置空间22中平行于轴线26滑动。
转子装置68包括磁体。定子装置70包括未在附图中单独示出的线圈，该线圈设置在转子装置68的上方和下方。

[0065] 图5示出了两个单元60、62的转子装置68和定子装置70的轮廓。由于活塞组件38的活塞42在图中占据下止点，因而在此，截面视图不穿过转子装置68，该转子装置仅在活塞42(虚拟地)向上运动时滑动并横穿截面。

[0066] 通过能量耦合装置58，可以将能量耦合到活塞组件38或40或者移除该能量。这使得可以在自由活塞装置10的运行期间控制活塞组件38或40的运动。为此目的，能量耦合装置58能够由自由活塞装置10的控制装置72(图2)控制。

[0067] 在此，自由活塞装置10按照两冲程法运转。燃烧室50中的燃烧驱动活塞42从上止点起相互远离，从而使该活塞在活塞轴套30中轴向滑动。这种滑动进行至活塞42到达各自的下止点。若活塞42占据下止点，则进气口34被活塞组件40的活塞42开放，且排气口36被活塞组件38的活塞42开放。这在图2至图5中示出。

[0068] 在换气时，当进气口34和排气口36开放时，燃烧室50被吹扫。新鲜气体通过进气口34流入燃烧室50。废气可以通过排气口36从燃烧室50中排出。通过轴向间隔开的开口34、36对燃烧室50进行纵向扫气。

[0069] 在此，“新鲜气体”是用于内燃的气体或气体混合物(特别是空气)。所输送的新鲜气体可与燃料混合。替代地或补充地，可以设置为，流入燃烧室50的新鲜气体通过喷射装置与燃料混合。装料的点火可以通过点火装置进行，该点火装置能够由控制装置72控制。也可以考虑根据新鲜气体和废气的混合比例的自行点火。

[0070] 燃烧室50中的燃烧导致内壁32的高温。由于对燃烧室50纵向扫气，活塞轴套30在轴向上在排气口36的区域中的热负荷比在轴向上在进气口34的区域中的热负荷要高得多。热废气导致排气口36区域的强烈加热，而进气口34区域的温度却明显较低。流入的凉的新鲜气体也可以在进气口处实现冷却。

[0071] 为了冷却内壁32，冷却装置74设置在活塞腔24上。该冷却装置74具有冷却通道76。

[0072] 冷却通道76可以加载冷却介质，特别是水，以将热量从活塞腔24散发到活塞轴套30及其壳体28。为了输送冷却介质，自由活塞装置可以具有泵(图中未示出)。在自由活塞装置10的有利实施方式中，证明有利的是，冷却介质的流量为每分钟约5升至10升。冷却介质的温度可以是例如约90℃。

[0073] 冷却通道76具有多个冷却区域。特别是设置有第一冷却区域78、第二冷却区域80、两个第三冷却区域82以及第四冷却区域84。

[0074] 第一冷却区域78设置在排气口36的远离进气口34的一侧。在第一冷却区域78处，冷却通道76形成环形通道，该环形通道在轴线26的圆周方向上完全围绕内壁32。

[0075] 第一冷却区域78设置在冷却通道76的上游。冷却介质可以经由连接到第一冷却区域78的连接部件86流入。

[0076] 第二冷却区域80设置在排气口36的靠近进气口34的一侧。因此，冷却区域78和冷却区域80定位在排气口36在轴向上的相对侧上。因此，第二冷却区域80设置在进气口34和排气口36之间。

[0077] 在第二冷却区域80处，冷却通道76同样设计为环形通道，该环形通道在轴线26的圆周方向上完全围绕内壁32。在内壁32中可以形成通孔，管道能够连接到这些通孔。这些管道特别是设置用于向燃烧室50输送燃料和/或电能。该管道可以被流过第二冷却区域80的冷却介质环流。

[0078] 第一冷却区域78和第二冷却区域80通过第三冷却区域82彼此流动连接，这将在下文中进行说明。

[0079] 第四冷却区域84设置在进气口34的远离排气口36的一侧。因此，冷却区域80和冷却区域84定位在进气口34在轴向上的相对侧上。在第四冷却区域84处，冷却通道76形成环形通道，该环形通道在圆周方向上完全围绕轴线26。

[0080] 第二冷却区域80和第四冷却区域84通过图中未示出的流体管道彼此流动连接。可以设置第二冷却区域80处的连接部件88和第四冷却区域84处的连接部件90，用于连接该流体管道。

[0081] 第四冷却区域84设置在冷却通道76的下游。以这种方式，可以从第一冷却区域78起直到第四冷却区域84有效地冷却活塞腔24。在此，首先用仍相对冷的冷却介质冷却在排气口36处及附近的活塞腔24的特别热的区域。随后冷却在燃烧室50的中心区域中的活塞腔24，最后冷却在进气口34区域中的活塞腔24，该处的温度明显低于排气口36的区域。

[0082] 如上所述，活塞轴套30插入壳体28中。第一冷却区域78、第二冷却区域80和第四冷却区域84在径向上形成在活塞轴套30和围绕该活塞轴套的壳体28的中央部分之间。在径向的内侧，内壁32界定冷却区域78、80和84，在径向外侧，这些冷却区域由壳体28界定。

[0083] 图中未示出的密封部件，特别是O形环密封活塞轴套30和壳体28之间的冷却通道76。

[0084] 为了更好地识别，在图6和7中用标记标出了冷却介质能够流过的冷却通道76的区域。图6和图7中用标记(反向逗号)示出的区域由冷却介质占据。

[0085] 由上可知，通过冷却区域78、80和84的构造，冷却通道76形成了冷却套，该冷却套在轴向上罩状地围绕除进气口34和排气口36的区域之外的活塞轴套30，并且该冷却套在径向的内侧由内壁32界定，在径向外侧由壳体28界定。

[0086] 在下文中将说明活塞腔24和冷却通道76的构造以及能够根据本发明实现的对活塞腔24的改良的冷却，特别是在排气口36区域的冷却。向能量耦合装置58的单元60、62的热传递也可以如下文所述显著地减少。

[0087] 特别是从图3至图5中可以看出，排气口36沿轴线26的圆周方向形成在内壁32中。活塞腔24形成了在外侧设置在内壁32处的排气室92。废气通过排气口36流入围绕该排气口的排气室92。排气室92在径向的内侧由内壁32界定，并在径向外侧由壳体28的外壁94界定。
端壁96和98在轴向上界定排气室92。特别是由图4可以看出，端壁96、98由内壁32和壳体28的径向突出部形成。

[0088] 在活塞腔24处连接有图中未示出的废气排出管道。图5示出了与之相关的连接部件102。

[0089] 内壁32在相邻的排气口36之间具有壁段100。在轴向上，壁段100在排气口36的长度上延伸。

[0090] 为了冷却壁段100处的内壁32，冷却通道76包括冷却通道区段104。冷却通道区段104轴向延伸，在此，每个壁段100中穿过至少一个冷却通道区段104(图5)。冷却通道区段
104提供从第一冷却区域78到第二冷却区域80的流动连接，这特别是可以从图7中看出。由此可以有效地从壁段100上的特别热的位置带走热量。

[0091] 冷却区域78和80的另外的流动连接由两个第三冷却区域82提供。冷却区域82关于轴线26彼此相对，并实现了对活塞腔24的彼此相对侧的冷却。第三冷却区域82特别是用于在排气口36的区域中轴向冷却活塞腔24。

[0092] 冷却区域82设计为关于彼此对称，因此，以下仅说明第三冷却区域82中的一个。

[0093] 第三冷却区域82包括第一冷却通道区段106、第二冷却通道区段108和第三冷却通道区段110。

[0094] 第一冷却通道区段106与第一冷却区域78形成流动连接。冷却通道区段106倾斜于轴线26地连接到冷却区域78，但在此，该冷却通道区段几乎横向于轴线(图4和图6)。第一冷却通道区段106沿着端壁98的远离排气室92的一侧延伸。

[0095] 第二冷却通道区段108设置在排气室92的径向外侧，在径向上位于排气室92的外壁94的侧向旁。在径向外侧，第二冷却通道区段108由通道壁112界定。由此，冷却介质能够在轴向上至少沿着排气室92的延伸流过第三冷却区域，其中，冷却区域82在径向上由外壁94和通道壁112界定。

[0096] 第二冷却通道区段108轴向延伸并且关于轴线26切向地形成在壳体28的外侧。冷却区域82在第二冷却通道区段108处，在轴线26的圆周方向上延伸过部分角度。第二冷却通道区段108覆盖大约50°至60°的角度范围。

[0097] 在此，第二冷却通道区段108设计为扁平通道，其中，其横向于流动方向的宽度比其在径向上的高度大得多(图5)。第二冷却通道区段108的宽度在此大于燃烧室的直径。由此，第三冷却区域82在第二冷却通道区段108处形成相对大的散热装置，通过该散热装置可以有效地从外壁94带走由于热废气经由排气室92排出而产生的热量。

[0098] 第三冷却通道区段110将第二冷却通道区段108与第二冷却区域80相连接。第三冷却通道区段110相对于轴线26倾斜，并且在此分成两个路径114(图6和7)。第三冷却通道区段110沿着端壁96的远离排气室92的侧面延伸。

[0099] 冷却通道区段106和110也设计为扁平通道。此外，它们在轴线26的圆周方向上延伸过与冷却通道区段108相同的角度范围。

[0100] 第三冷却区域82的设置使得活塞腔24沿排气室92的轴向延伸的有效冷却也得到确保。对材料的选择和适配的要求得到降低，并且自由活塞装置10总体上更加成本低廉且更容易制造和运行。

[0101] 另外，有利的是，由于排气室92和空间区域64之间设置有第三冷却区域82，可以避免向空间区域64和设置在该空间区域中的线性发电机66传递废热。由此，线性发电机66的运行温度将不会升高到使其功能性受到限制的程度(例如由于由温度引起的去磁)。

[0102] 相反地，线性发电机66的废热甚至可以由第三冷却区域82中的冷却介质吸收和带走。为此，特别有利的是，通道壁112同时部分地形成空间区域64的壁，该空间区域设置在该通道壁的侧向旁。由此，还可以借助冷却装置74带走线性发电机66的废热，这降低了对线性发电机66的内部冷却的要求。

[0103] 同时，通过设置在活塞腔24的侧向旁的单元60、62使自由活塞装置10的扁平结构的紧凑构造成为可能。

[0104] 附图标记说明

[0105] 10      自由活塞装置

[0106] 12      自由活塞马达

[0107] 14      壳体

[0108] 16      顶壁

[0109] 18      底壁

[0110] 20      侧壁

[0111] 22      容置空间

[0112] 24      活塞腔

[0113] 26      轴线

[0114] 28      壳体

[0115] 30      活塞轴套

[0116] 32      内壁

[0117] 34      进气口

[0118] 36      排气口

[0119] 38      活塞组件

[0120] 40      活塞组件

[0121] 42      活塞

[0122] 44      活塞杆

[0123] 46      对置活塞

[0124] 48      活塞面

[0125] 50      燃烧室

[0126] 52      突出部

[0127] 54      复位弹簧装置

[0128] 56      气体弹簧

[0129] 58      能量耦合装置

[0130] 60      单元

[0131] 62      单元

[0132] 64      空间区域

[0133] 66      线性发电机

[0134] 68      转子装置

[0135] 70      定子装置

[0136] 72      控制装置

[0137] 74      冷却装置

[0138] 76      冷却通道

[0139] 78      第一冷却区域

[0140] 80      第二冷却区域

[0141] 82      第三冷却区域

[0142] 84      第四冷却区域

[0143] 86      连接部件

[0144] 88      连接部件

[0145] 90      连接部件

[0146] 92      排气室

[0147] 94      外壁

[0148] 96      端壁

[0149] 98      端壁

[0150] 100     壁段

[0151] 102     连接部件

[0152] 104     冷却通道区段

[0153] 106     冷却通道区段

[0154] 108     冷却通道区段

[0155] 110     冷却通道区段

[0156] 112     通道壁

[0157] 114     路径