AT511600B1

AT511600B1 - DRIVE ARRANGEMENT FOR A GENERATOR, ESPECIALLY AN ELECTRIC VEHICLE

Info

Publication number: AT511600B1
Application number: AT17722011A
Authority: AT
Inventors: Franz Dr Winkler; Roland Dr Kirchberger; Helmut Dr Eichlseder
Original assignee: Univ Graz Tech
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-01-15
Also published as: WO2013078490A1; AT511600A4

Abstract

Es wird eine Antriebsanordnung für einen Generator, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, mit einer Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Kurbelwellenabtrieb (13) mit der Generatorwelle kuppelbar ist. Um die Schadstoffemissionen zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass die Zweitakt-Brennkraftmaschine wenigstens ein Zylinderpaar aufweist, dessen Zylinder (1, 2) miteinander zylinderkopfseitig durch einen Brennraum (6) verbunden sind, wobei von den beiden über je eine Pleuelstange (11, 12) an dem gemeinsamen Kurbelwellenabtrieb (13) angelenkten Kolben (3, 4) ein Kolben (3) die Einlasskanäle (8) und der andere Kolben (4) die Auslasskanäle (9) steuert, und dass die beiden Kolben (3, 4) phasenversetzt am Kurbelwellenabtrieb (13) angelenkt sind.A drive arrangement for a generator, in particular an electric vehicle, with a two-stroke internal combustion engine is described, whose crankshaft output (13) can be coupled to the generator shaft. In order to minimize the pollutant emissions, it is proposed that the two-stroke internal combustion engine has at least one pair of cylinders whose cylinders (1, 2) are connected to one another on the cylinder head side by a combustion chamber (6), whereby each of them has a connecting rod (11, 12). a piston (3) controls the inlet channels (8) and the other piston (4) controls the outlet channels (9) on the common crankshaft output (13), and that the two pistons (3, 4) are out of phase on the piston Crankshaft output (13) are articulated.

Description

österreichisches Patentamt AT511 600B1 2013-01-15Austrian Patent Office AT511 600B1 2013-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsanordnung für einen Generator, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, mit einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, deren Kurbelwellenabtrieb mit der Generatorwelle kuppelbar ist.Description: The invention relates to a drive arrangement for a generator, in particular an electric vehicle, having a two-stroke internal combustion engine, the crankshaft output of which can be coupled to the generator shaft.

[0002] Um die Reichweite von mit Fahrbatterien ausgestatteten Elektrofahrzeugen zu vergrößern, ist es bekannt, die für den Betrieb des Elektromotors erforderliche Energie zusätzlich über einen Generator zur Verfügung zu stellen, der mit Hilfe einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Wegen des vergleichsweise einfachen Aufbaus bieten sich hiefür Zweitakt-Brennkraftmaschinen an (DE 203 09 004 U1), doch sind bei den üblichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen Spülverluste in Kauf zu nehmen, die sich nachteilig auf den Schadstoffgehalt im Abgas auswirken. Dem Nachteil höherer Brennstoffverluste bei gemischgespülten Motoren kann durch eine Direkteinspritzung des Brennstoffs begegnet werden. Durch die zeitliche Trennung der Brennstoffzufuhr von der Luftspülung können die sonst durch die Spülung verursachten Brennstoffverluste weitgehend vermieden werden. Die Spülverluste aus der Luft bleiben jedoch erhalten, was zu einem sehr mageren Abgas führt, das hinsichtlich des Kohlenmonoxidgehalts und der Kohlenwasserstoffe gut nachbehandelt werden kann. Eine Reduktion der Stickoxide ist jedoch aufgrund des Sauerstoffgehalts der Abgase kaum möglich.In order to increase the range of electric vehicles equipped with traction batteries, it is known to provide the energy required for the operation of the electric motor in addition via a generator available, which is driven by means of an internal combustion engine. Due to the comparatively simple structure, two-stroke internal combustion engines are suitable for this purpose (DE 203 09 004 U1), but flushing losses are to be accepted in the conventional two-stroke internal combustion engines, which have an adverse effect on the pollutant content in the exhaust gas. The disadvantage of higher fuel losses in mixture-purged engines can be countered by direct injection of the fuel. Due to the temporal separation of the fuel supply from the air purge the otherwise caused by the flushing fuel losses can be largely avoided. However, the purge losses from the air are retained, resulting in a very lean exhaust gas that can be well treated for carbon monoxide content and hydrocarbons. However, a reduction of the nitrogen oxides is hardly possible due to the oxygen content of the exhaust gases.

[0003] Um schnelllaufende Dieselmotoren mit geringem Gewicht zu schaffen, ist es darüber hinaus bekannt (DE 25 13 380 A1), zwei parallel zueinander angeordnete Zylinder mit einem gemeinsamen Brennraum zu versehen und die Kolben dieser Zylinder über Pleuelstangen mit einer gemeinsamen Kurbelwelle zu verbinden, die senkrecht zur Symmetrieebene zwischen den beiden Zylindern angeordnet ist. Da die Pleuel der Kolben auf einem gemeinsamen Kurbelzapfen gelagert sind, ergibt sich zwischen den übereinstimmenden unteren und oberen Totpunkten der Kolben für die Kolben ein unterschiedlicher Hubverlauf. Darüber hinaus ist es bekannt (DE 1 451934 A1), zwei parallele Zylinder durch einen gemeinsamen Brennraum miteinander zu verbinden, wobei zur Erreichung eines dynamischen Gleichgewichts die beiden Kolben an voneinander getrennten Kurbelwellen angreifen, die miteinander über ein Zahnradpaar gekoppelt sind. Außerdem sind die Pleuelköpfe miteinander durch eine Stange gelenkig verbunden. Durch solche Sonderkonstruktionen lassen sich jedoch die Schadstoffemissionen von Zweitakt-Brennkraftmaschinen nicht wesentlich beeinflussen.To create high-speed diesel engines with low weight, it is also known (DE 25 13 380 A1) to provide two cylinders arranged parallel to each other with a common combustion chamber and to connect the pistons of these cylinders via connecting rods with a common crankshaft, which is arranged perpendicular to the plane of symmetry between the two cylinders. Since the connecting rods of the pistons are mounted on a common crank pin, a different stroke pattern results between the matching lower and upper dead centers of the pistons for the pistons. Moreover, it is known (DE 1 451934 A1) to connect two parallel cylinders by a common combustion chamber with each other, to achieve a dynamic equilibrium, the two pistons engage separate crankshafts, which are coupled to each other via a pair of gears. In addition, the connecting rod ends are hinged together by a rod. By such special constructions, however, the pollutant emissions of two-stroke internal combustion engines can not be significantly influenced.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine für den Generatorantrieb, insbesondere in einem batteriegespeisten Elektrofahr-zeug, so auszubilden, dass die Vorteile des elektrischen Antriebs genützt werden können, ohne die Schadstoffemission durch den Einsatz einer Zweitakt-Brennkraftmaschine wesentlich zu erhöhen.The invention is therefore based on the object, a two-stroke internal combustion engine for the generator drive, especially in a battery-powered electric vehicles, so that the benefits of the electric drive can be availed without the emission of pollutants by the use of a two-stroke internal combustion engine significantly increase.

[0005] Ausgehend von einer Antriebsanordnung der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Zweitakt-Brennkraftmaschine wenigstens ein Zylinderpaar aufweist, dessen Zylinder miteinander zylinderkopfseitig durch einen Brennraum verbunden sind, wobei von den beiden über je eine Pleuelstange an dem gemeinsamen Kurbelwellenabtrieb angelenkten Kolben ein Kolben die Einlasskanäle und der andere Kolben die Auslasskanäle steuert, und dass die beiden Kolben phasenversetzt am Kurbelwellenabtrieb angelenkt sind.Starting from a drive assembly of the type described, the invention solves the problem set by the fact that the two-stroke internal combustion engine has at least one pair of cylinders whose cylinders are connected to each other cylinder head side by a combustion chamber, wherein of the two via a connecting rod to the common Crankshaft driven piston one piston controls the intake ports and the other piston controls the exhaust ports, and that the two pistons are out of phase hinged to the crankshaft output.

[0006] Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch die Kolbensteuerung der Ein-und Auslasskanäle bei üblichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen keine voneinander unabhängige Einstellung der Steuerzeiten für die Ein- und Auslasskanäle möglich ist. Werden jedoch sogenannte Doppelkolbenmotoren eingesetzt, die über einen gemeinsamen Brennraum miteinander verbundene Zylinder aufweisen, so können über den Kolben des einen Zylinders die Einlasskanäle und über den Kobeln des anderen Zylinders die Auslasskanäle gesteuert werden. Es bedarf daher lediglich einer Phasenversetzung der beiden Kolben um die Steuerzeiten für die Ein- und Auslasskanäle so vorzugeben, dass eine im Wesentlichen stöchiometrische Verbrennung mit dem Vorteil sichergestellt werden kann, dass im Abgas kein Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Damit sind aber die Voraussetzungen gegeben, eine wirksame Abgasnachbe- 1 /5 österreichisches Patentamt AT511 600 B1 2013-01-15 handlung nicht nur hinsichtlich des Kohlenmonoxidgehalts und der Kohlenwasserstoffkonzentration, sondern auch bezüglich der Stickoxidbelastung vorzunehmen, sodass der Betrieb der Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer geringen Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen möglich wird. Die hiefür notwendige Phasenversetzung der Kolben ist allerdings nur für einen engen Drehzahlbereich gültig, was jedoch bei der Forderung nach einem Generatorantrieb mit konstanter Drehzahl keine entscheidende Rolle spielt.The invention is based on the recognition that by the piston control of the inlet and outlet ports in conventional two-stroke internal combustion engines no independent adjustment of the timing for the inlet and outlet channels is possible. However, if so-called double-piston engines are used which have cylinders connected to one another via a common combustion chamber, then the inlet channels can be controlled via the piston of one cylinder and the outlet channels can be controlled via the lobes of the other cylinder. It therefore only requires a phase displacement of the two pistons in order to predetermine the control times for the inlet and outlet passages such that a substantially stoichiometric combustion can be ensured with the advantage that no excess oxygen is present in the exhaust gas. However, this provides the prerequisites for carrying out an effective exhaust gas refinement not only with regard to the carbon monoxide content and the hydrocarbon concentration, but also with respect to the nitrogen oxide load, so that the operation of the two-stroke internal combustion engine with a low environmental impact through pollutant emissions is possible. However, the necessary phase displacement of the pistons is only valid for a narrow speed range, which, however, does not play a decisive role in the requirement for a constant-speed generator drive.

[0007] Die Phasenverschiebung der beiden Kolben der miteinander über einen zylinderkopfseitigen Brennraum verbundenen Zylinder kann konstruktiv in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Pleuelstangen der beiden Kolben an winkelversetzt angeordneten Kurbelzapfen einer gemeinsamen Kurbelwelle des Kurbelwellenabtriebs angelenkt sind. Dies schließt im Allgemeinen eine gegenseitige Drehverstellung der Kurbelwellenzapfen zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen aus. Weist jedoch der Kurbelwellenabtrieb zwei über ein Zahnradpaar antriebsverbundene, parallele Kurbelwellen auf, an denen die Pleuelstangen der beiden Kolben winkelversetzt angelenkt sind, so ergibt sich nicht nur aufgrund der gegensinnig umlaufenden Kurbelwellen ein vorteilhafter Massenausgleich, sondern auch die Möglichkeit, die gegenseitige Drehlage der Kurbelzapfen der beiden Kurbelwellen einzustellen, wenn eine der beiden Kurbelwellen gegenüber dem ihm zugehörigen Zahnrad drehverstellbar gelagert wird. Mit der dadurch gegebenen Konstruktionsvorgabe lassen sich somit optimale Verbrennungsbedingungen für unterschiedliche Betriebszustände einstellen, womit die Schadstoffemissionen auch für unterschiedliche Betriebszustände durch eine entsprechende Nachbehandlung der Abgase minimiert werden können, sodass die Vorteile eines Elektroantriebs hinsichtlich der Schadstoffemissionen nicht durch den Einsatz einer Zweitakt-Brennkraftmaschine für den Antrieb eines Generators zunichte gemacht werden, über den eine zusätzliche elektrische Energieversorgung für den Elektroantrieb sichergestellt wird.The phase shift of the two pistons of the cylinder connected via a cylinder head side combustion chamber can be structurally achieved in a simple manner that the connecting rods of the two pistons are articulated to angularly arranged crank pin a common crankshaft of the crankshaft output. This generally precludes mutual rotational adjustment of the crankshaft journals to accommodate different operating conditions. However, if the crankshaft output two via a pair of gears drivingly connected, parallel crankshafts on which the connecting rods of the two pistons are articulated offset, not only because of the opposing rotating crankshafts results in an advantageous mass balance, but also the possibility of the mutual rotational position of the crank pin to adjust both crankshafts, if one of the two crankshafts is mounted rotatably adjustable relative to its associated gear. With the design specification given thereby optimal combustion conditions for different operating conditions can be adjusted so that the pollutant emissions can be minimized for different operating conditions by a corresponding aftertreatment of the exhaust gases, so that the benefits of an electric drive with respect to pollutant emissions not by the use of a two-stroke internal combustion engine for Drive of a generator are destroyed, via which an additional electrical power supply for the electric drive is ensured.

[0008] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0009] Fig. 1 eine Zweitakt-Brennkraftmaschine für den erfindungsgemäßen Antrieb einesIn the drawing, the subject invention is shown, for example. FIG. 1 shows a two-stroke internal combustion engine for the drive according to the invention. FIG

Generators eines Elektrofahrzeugs in einem schematischen Axialschnitt, [0010] Fig. 2 den Kurbelwellenabtrieb dieser Zweitakt-Brennkraftmaschine in einer Seitenan sicht in einem größeren Maßstab, [0011] Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Konstruktionsvariante einer2 shows the crankshaft output of this two-stroke internal combustion engine in a side view on a larger scale, [0011] FIG. 3 shows a representation of a construction variant corresponding to FIG

Zweitakt-Brennkraftmaschine und [0012] Fig. 4 den Kurbelwellenabtrieb der Zweitakt-Brennkraftmaschine der Fig. 3 in einer vereinfachten Draufsicht in einem größeren Maßstab.Two-stroke internal combustion engine; and [0012] FIG. 4 shows the crankshaft output of the two-stroke internal combustion engine of FIG. 3 in a simplified plan view on a larger scale.

[0013] Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Zweitakt-Brennkraftmaschine weist zwei Zylinder 1, 2 mit je einem Kolben 3, 4 auf, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass die beiden Zylinder 1, 2 im Bereich eines Zylinderkopfes 5 über einen Brennraum 6 miteinander verbunden sind, dem eine Zündkerze 7 zugeordnet ist. Von den beiden Kolben 3, 4 steuert ein Kolben 3 die Einlasskanäle 8 und der andere Kolben 4 die Auslasskanäle 9. Dem Zylinder 1 mit den Einlasskanälen 8 ist eine Einspritzeinrichtung 10 für Brennstoff zugeordnet.The two-stroke internal combustion engine shown in FIGS. 1 and 2 has two cylinders 1, 2, each with a piston 3, 4, wherein the arrangement is such that the two cylinders 1, 2 in the region of a cylinder head 5 via a combustion chamber 6 are connected to each other, which is associated with a spark plug 7. Of the two pistons 3, 4, one piston 3 controls the inlet channels 8 and the other piston 4 controls the outlet channels 9. The cylinder 1 with the inlet channels 8 is assigned an injection device 10 for fuel.

[0014] Die beiden Kolben 3, 4 sind jeweils über eine strichpunktiert angedeutete Pleuelstange 11, 12 mit einem Kurbelwellenabtrieb 13 verbunden, der gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 aus einer gemeinsamen Kurbelwelle 14 besteht. Diese Kurbelwelle 14 weist für jede der beiden Pleuelstangen 11,12 einen Kurbelzapfen 15, 16 auf, wobei die beiden Kurbelzapfen 15, 16 gegeneinander um einen Winkel α entlang des strichpunktiert angedeuteten Kurbelzapfenumlaufkreises versetzt, aber gemeinsam zwischen zwei Kurbelwangen 17 der Kurbelwelle 14 angeordnet und miteinander verbunden sind. Durch die Phasenversetzung a der Kurbelzapfen 15, 16 für die beiden Kolben 3, 4 können die Auslasskanäle 4 gegenüber den Einlasskanälen 8 und die Kraftstoffzufuhr zeitlich so angesteuert werden, dass sich bei einem vorgegebenen Betriebszustand eine im Wesentlichen stöchiometrische Verbrennung mit geringen Spülverlusten einstellt, wobei eine Abgasnachbehandlung möglich wird, die sowohl auf den Kohlenmonoxidgehalt, als auch auf die Kohlenwasserstoffkonzentration und den Stickoxidanteil 2/5The two pistons 3, 4 are each connected via a dash-dotted line connecting rod 11, 12 connected to a crankshaft output 13, which consists according to the embodiment of FIGS. 1 and 2 from a common crankshaft 14. This crankshaft 14 has for each of the two connecting rods 11,12 a crank pin 15, 16, wherein the two crank pins 15, 16 offset from each other by an angle α along the chain-dotted line crank pin circulation circle, but arranged together between two crank webs 17 of the crankshaft 14 and each other are connected. Due to the phase displacement a of the crank pins 15, 16 for the two pistons 3, 4, the outlet channels 4 with respect to the inlet channels 8 and the fuel supply can be timed so that sets at a predetermined operating condition, a substantially stoichiometric combustion with low flushing losses, with a Exhaust gas aftertreatment is possible, both on the carbon monoxide content, as well as on the hydrocarbon concentration and the nitrogen oxide 2/5

Claims

Austrian Patent Office AT511 600 B1 2013-01-15 can effectively influence. In contrast to FIGS. 1 and 2, the two-stroke internal combustion engine according to FIGS. 3 and 4, a crankshaft drive 13 with two parallel crankshafts 18 and 19, which are drivingly connected by means of a gear pair 20, 21 in opposite directions. The piston rods 11, 12 of the pistons 3, 4 are articulated to the crank pins 15, 16 of these crankshafts 18, 19 assigned to the cylinders 1 and 2, as can be seen directly from FIG. The crank pins 15, 16 are in turn phase-shifted by an angle a in order to influence the timing of the intake and exhaust passages 8, 9 via the pistons 3, 4. As can be seen from Fig. 4, one of the two gears 20, 21 rotatably connected to the associated crankshaft 19, while the other gear 20 is rotatably mounted on the crankshaft 18. For rotationally fixed connection of the gear 20 with the crankshaft 18 is a coupling device 22 which allows a rotational adjustment of the gear 20 relative to the crankshaft 18 and thus an adjustment of the phase angle α between the crank pin 15 and 16 of the crankshafts 18, 19. Such known for example from a camshaft adjustment clutch devices 22 can be adjusted hydraulically during engine operation, for example, so that an adjustment of the timing of the intake and exhaust ports 8, 9 during operation is possible to ensure adaptation to different operating conditions. Due to this adaptation of the timing of the intake and exhaust ports 8, 9 to different operating conditions, the drive wheels of the electric vehicle for limited operating conditions can also be driven via the two-stroke internal combustion engine when the drive wheels are coupled to the generator shaft, so that a more rigid mechanical Through drive of the two-stroke internal combustion engine to the drive wheels or the driven axle of the electric vehicle results. Particularly advantageous design conditions arise for two-stroke internal combustion engines when two pairs of cylinders 1, 2 are juxtaposed, because in this case a compact engine block with four at least substantially arranged in a square or rectangle cylinders is obtained. 1. Drive arrangement for a generator, in particular an electric vehicle, with a two-stroke internal combustion engine, the crankshaft output (13) can be coupled to the generator shaft, characterized in that the two-stroke internal combustion engine has at least one pair of cylinders, the cylinder (1, 2) with each other Cylinder head side are connected by a combustion chamber (6), wherein of the two via a respective connecting rod (11, 12) hinged to the common crankshaft output (13) piston (3, 4) a piston (3) the inlet channels (8) and the other Piston (4) controls the outlet channels (9), and that the two pistons (3, 4) are articulated on the crankshaft output (13) out of phase.

2. Drive arrangement according to claim 1, characterized in that the connecting rods (11, 12) of the two pistons (3, 4) angularly offset crank pin (15, 16) of a common crankshaft (14) of the crankshaft output (13) are articulated.

3. Drive arrangement according to claim 1, characterized in that the crankshaft output (13) has two via a gear pair (20, 21) drive-connected, parallel crankshaft (18, 19), where the connecting rods (11, 12) of the two pistons (3 , 4) are articulated angularly offset.

4. Drive arrangement according to claim 3, characterized in that one of the two crankshafts (18, 19) relative to its associated gear (20) of the gear pair (20, 21) is mounted rotatably adjustable. For this 2 sheets of drawings 3/5