CN107228011B - 内燃机以及用于运行内燃机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机(1)，具有至少一个气缸(2)，活塞(3)以能线性移动的方式支承在所述至少一个气缸中，其中，活塞(3)通过连杆(5)与内燃机(1)的曲轴(6)作用连接。在此规定，活塞(3)设计成线性电机(9)的动子，线性电机(9)的定子(13)的、配属于气缸(2)的、能独立运行的定子元件(14)关于气缸(2)的纵向中心轴线(4)沿周向方向部分地包围气缸(2)，以用于借助线性电机(9)将沿径向方向定向的平衡力至少暂时地施加到活塞(3)上。此外，本发明涉及一种用于运行内燃机(1)的方法。

Description

内燃机以及用于运行内燃机的方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机，具有至少一个气缸，活塞以能线性移动的方式支承在所述至少一个气缸中，其中，活塞通过连杆与内燃机的曲轴作用连接。此外本发明涉及一种用于运行内燃机的方法。
背景技术
内燃机例如用于驱动机动车，就此而言即提供用于驱动机动车的转矩。内燃机具有至少一个气缸、然而优选具有多个气缸。在气缸中或者说在每一个气缸中分别以能线性移动的方式布置活塞。在运行期间，燃料以及氧化剂、尤其是氧气——例如以空气中的氧的形式——进入到气缸或者说气缸的燃烧室中，该燃烧室由气缸和活塞一起界定。燃料以及氧化剂随后进行燃烧，由此形成气体压力，该气体压力引起了活塞的用于扩大燃烧室的移位。
活塞通过连杆与曲轴作用连接。曲轴将由气体压力引起的活塞线性运动转换成转动运动。在内燃机的工作间隙期间，连杆或者说其纵向中心轴线与气缸的纵向中心轴线处于可变化的角度之下。然而这意味着，不仅反作用于气体压力的、平行于气缸的纵向中心轴线延伸的纵向力反作用到活塞上，而且附加地引起了横向力，该横向力具有垂直于纵向力的作用方向的作用方向。换句话说，横向力关于气缸的纵向中心轴线沿径向方向作用到活塞上，即朝向气缸的活塞工作面挤压活塞，或者说将其挤压到活塞工作面上。横向力就此而言提高了活塞在活塞工作面上的摩擦并且相应地提高了内燃机的摩擦损失。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种内燃机，该内燃机相对于已知的内燃机具有下述优点：尤其是获得了较小的摩擦损失。
上述情况根据本发明利用具有权利要求1的特征的内燃机来实现。在此规定，活塞设计成线性电机的动子，线性电机的定子的、配属于气缸的、能独立运行的定子元件关于气缸的纵向中心轴线沿周向方向部分地包围气缸，以用于借助线性电机将沿径向方向定向的平衡力至少暂时地施加到活塞上。换句话说规定了，线性电机内置到内燃机中并且同时配属于活塞。如果内燃机具有多个气缸，则所述气缸中的至少一个具有这种线性电机。不言而喻然而还可以规定，气缸中的多个气缸、尤其是气缸中的所有气缸分别配备有这种线性电机。
内燃机可以具有任意的表面形状(Topographie)。例如内燃机的气缸分布到多个缸体底座上。就此而言，缸体底座中的每一个具有至少一个气缸、然而优选具有多个气缸。现在类似于前述实施方式，缸体底座中的仅一个、即缸体底座的气缸中的至少一个可以具有这种线性电机。然而还可以如此设计缸体底座的多个或所有气缸。
缸体底座中的其它缸体底座可以不带有线性电机。替选地或附加地，然而还可以规定，其它缸体底座的气缸中的至少一个配备有线性电机。此外在此还可以相应地设计缸体底座的多个或所有气缸。下面总是仅对其中一个气缸和配属于其的线性电机进行研究。然而不言而喻的是，可以将这些实施方式复制到多个气缸和分别配属于其的线性电机上。
线性电机具有动子和定子。动子配属于活塞或者说设计成该活塞的组成部分。而定子关于气缸位置固定地布置，尤其是定子位于内燃机的气缸曲轴箱中。线性电机可以选择性地作为马达或发电机运行；就此而言，该线性电机替选地可以称为线性机器。即可以规定，线性电机或者用于辅助内燃机，即提高了能由其产生的或提供的转矩。在这种情况下实现了线性电机作为马达运行，其中，对活塞的线性运动进行辅助，该线性运动通过气体压力引起。
然而还可以规定，线性电机作为发电机运行，从而一部分由内燃机产生的或提供的转矩由线性电机使用，用于提供电能。在这种情况下，线性电机将一种力作用于活塞，该力反向于气体压力，从而降低了由内燃机产生的或者说提供的转矩。特别优选地可以在内燃机上调节多种运行模式之一，其中，线性电机在运行模式中的第一种运行模式中作为马达运行并且在运行模式中的第二种运行模式中作为发电机运行。然而当然替选地，可以规定线性电机仅作为马达或发电机运行。
线性电机应以下述方式设计：利用其能将平衡力施加到活塞上。平衡力关于气缸的纵向中心轴线沿径向方向取向。平衡力在此优选为合力的分量，其能借助线性电机施加到活塞上。为了能将平衡力、即合力的沿径向方向指向的分量施加到活塞上，设置有定子的专门的设计方案。为此，设置有定子的定子元件，该定子元件能单独地运行，即与可能的其它定子元件无关地运行，尤其是可以被加载电流。
定子元件沿周向方向仅部分地包围气缸。在运行线性电机时，即尤其是在为定子或可单独运行的定子元件通电流时，朝向与定子或者说定子元件背离的方向挤压活塞。就此而言，线性电机例如可以用于反作用于横向力。在这种情况下，定子或者说定子元件相应地布置，并且线性电机此外以下述方式运行：平衡力相当于横向力、尤其是在其振幅或者说大小方面。
在本发明的另一种设计方案的范围内规定，定子元件设计成沿周向方向延伸的定子区段，其中，定子具有至少另一个沿周向方向与定子元件相邻布置的定子区段。即定子元件仅为定子的一个区段，从而除了定子元件之外还设置有至少另一个定子区段。另一个定子区段相邻于定子元件或定子区段设置。例如另一个定子区段直接相邻于该定子元件，即沿周向方向看直接连接到该定子元件上。定子元件和至少另一个定子区段也就可以沿周向方向彼此间隔开或彼此直接邻接。
可以规定，定子区段和至少另一个定子区段沿周向方向完全包围气缸。然而在此，定子区段能完全与另一个定子区段无关地运行。就此而言为了施加平衡力，运行定子区段，而在其它情况下——例如当非故意地施加时——附加地或替选地运行至少另一个定子区段。例如可以规定，定子区段和至少另一个定子区段被加载不同的电压和/或电流强度，以实现所希望的平衡力。总之，仅定子元件或者说定子区段、仅另一个定子区段、或不仅定子元件且另一个定子区段能运行，以便获得线性电机的所希望的作用。
本发明的另一种优选设计方案提出，定子布置在内燃机的、具有气缸的气缸曲轴箱中。气缸曲轴箱为此具有用于定子的相应的接纳部。接纳部例如在注塑气缸曲轴箱时构成，并且随后将定子装入到接纳部中。然而当然还可以规定，将定子注塑到气缸曲轴箱中。
本发明的一种改进方案提出，气缸沿周向方向至少部分地由水套包围，定子沿径向方向布置在水套和气缸的活塞工作面之间。水套用于冷却内燃机、尤其是气缸曲轴箱。水套沿周向方向至少部分地、优选大部分地、尤其是完全地包围气缸。水套至少在运行内燃机期间由冷却介质、例如冷却水流经，从而在运行内燃机期间排出积累的热量。
为了在线性电机的定子和动子之间尽可能最佳地构成磁通量，定子沿径向方向布置在水套和活塞工作面之间。活塞工作面在此应理解成气缸的内圆周面，活塞能沿着该内圆周面线性移动。如果活塞具有至少一个活塞环，则活塞环可以至少暂时地与活塞工作面接触或者说在其上滑动。
本发明的另一种优选设计方案提出，气缸沿周向方向至少部分地由另一个水套包围，定子沿轴向方向相邻于所述另一个水套布置，尤其是布置在另一个水套下方。另一个水套可以与水套无关地被加载冷却介质。沿轴向方向看，另一个水套邻接于水套。替选地，另一个水套沿轴向方向与其间隔开。沿径向方向看，水套和另一个水套优选至少部分地、尤其是仅部分地或完全地重叠。优选地，另一个水套沿径向方向看不仅搭接水套、而且搭接定子。另一个水套优选布置在所述水套上方。这优选意味着，另一个水套布置在水套的背离曲轴的一侧上。相应地，定子位于另一个水套下方。
本发明的另一种设计方案提出，定子元件至少部分地、尤其是完全地布置在假想的平面的一侧上，所述假想的平面本身接纳气缸的纵向中心轴线并且平行于曲轴的转动轴线布置。即气缸的纵向中心轴线位于假想的平面中。同时，该平面平行于曲轴的转动轴线延伸。特别优选地，所述平面本身接纳转动轴线。位于平面的第一侧上的一侧现在例如可以称为压力侧，与压力侧对置的一侧称为背压侧。压力侧理解成下述侧，活塞在内燃机运行期间在工作冲程中由于反作用于气体压力的反力而被压入到所述侧中。定子元件至少部分地布置在假想的平面的一侧上。定子元件尤其是完全位于该侧上。此外特别优选地，关于所述平面对称布置定子元件，其中，定子元件在两侧沿周向方向等距地远离于所述平面。
本发明的一种优选改进方案提出，垂直于平面的横向力——所述横向力由于在燃烧行程/燃烧节拍期间出现的气体压力而作用到活塞上——从平面的背压侧指向平面的压力侧，其中，定子元件布置在压力侧上。对此前面已经指出。定子元件特别优选完全布置在压力侧上，尤其是关于平面对称。通过运行线性电机可以反作用于横向力，特别优选地完全补偿该横向力。上述情况能实现以摩擦特别低的方式运行内燃机。
最后在本发明的另一种实施方式中可以规定，动子具有至少一个永久磁铁或设计成鼠笼式动子。原则上，线性电机或者说其动子能以任意方式设计。例如，线性电机设计成永久激励的线性电机，为此动子具有永久磁铁。替选地，线性电机可以设计成自激励的线性电机。为此例如设置鼠笼式动子，或者说动子设计成鼠笼式动子。
此外本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，该方法尤其是用于运行根据前述实施方式所述的内燃机，其中，内燃机具有至少一个气缸，活塞以能线性移动的方式支承在所述至少一个气缸中，其中，活塞通过连杆与内燃机的曲轴作用连接。在此规定，活塞设计成线性电机的动子，线性电机的定子的、配属于气缸的、能独立运行的定子元件关于气缸的纵向中心轴线沿周向方向部分地包围气缸，以用于借助线性电机将沿径向方向定向的平衡力施加到活塞上，其中，线性电机至少暂时地运行，以用于施加平衡力。
已经指明了内燃机的这种设计方案或者这种方式的优点。不仅所述方法而且所述内燃机都可以根据前述实施方式改进，从而就此而言参照前述实施方式。
在本发明的另一种实施方式的范围内可以规定，线性电机至少暂时地以下述方式运行，即平衡力反作用于横向力，所述横向力由于在燃烧行程期间出现的气体压力而作用到活塞上。已经指出了这一点。
附图说明
下面借助在附图中示出的实施例详细阐述本发明，而没有对本发明构成限制。其中：
图1示出了内燃机区域的示意性横截面图，其中，内燃机的活塞配备有线性电机，和
图2示出了内燃机的示意图，其中，借助多个气缸示出了线性电机的不同的设计方案。
具体实施方式
图1示出了内燃机1的区域的示意性横截面图。内燃机具有至少一个气缸2，活塞3尤其是关于气缸2的纵向中心轴线4沿轴向方向以能线性移动的方式布置在所述至少一个气缸中。活塞3通过连杆5与曲轴6、尤其是与曲轴6的连杆轴颈7作用连接。曲轴6以能围绕转动轴线8转动的方式支承。转动轴线8可以、然而不是必须与纵向中心轴线4相交。更确切地说，转动轴线可以——如在此示出的那样——偏斜于该纵向中心轴线布置。连杆5一方面优选直接接合在活塞3上并且另一方面优选直接接合在曲轴6或者说连杆轴颈7上。因此，通过连杆5实现了在活塞3和曲轴6之间的直接连接。
气缸2配备有线性电机9。为此目的，活塞3设计成线性电机9的动子。该活塞为此具有至少一个永久磁铁10，在这里示出的实施例中具有多个永久磁铁10、11和12。永久磁铁10或者说永久磁铁10、11和12关于纵向中心轴线4沿周向方向优选完全地包围活塞3。
此外，线性电机9具有定子13，该定子具有至少一个定子元件14。定子元件14能独立地工作并且沿周向方向仅部分地包围气缸2。该定子元件优选形状匹配于气缸2，即具有弯曲部，从而该定子元件在沿周向方向不同的位置处总是沿径向方向与气缸2的活塞工作面15具有相同的距离。定子元件14优选设计成定子区段。
除了定子元件14之外还可以设置至少另一个定子区段16。另一个定子区段16优选沿周向方向看至少单侧地、然而尤其是双侧地直接连接到定子元件14上。这意味着，定子元件14和定子区段16沿周向方向共同完全包围气缸2。在此，定子元件14和定子区段16还可以沿周向方向重叠。
不仅定子元件14而且定子区段16分别由多个线圈17组成，在所述多个线圈中仅示例性标注几个。定子元件14的线圈17然而在此能与定子区段16的线圈17无关地被加载电流，从而定子元件14能与定子区段16无关地工作。
为了冷却内燃机1，气缸2沿周向方向至少部分地、尤其是完全地由水套18包围。定子13、尤其是定子元件14和/或定子区段16现在沿径向方向布置在水套18和活塞工作面15之间。在水套18上方设置有另一个水套19。该水套可以与水套18一起或与其无关地被加载冷却介质、尤其是冷却水。水套19在横截面中看分别至少部分地、尤其是分别完全地搭接水套18和/或定子13。利用水套18和19可以确定对内燃机1进行充分冷却并且此外还对线性电机9进行冷却。
气缸2由设想的平面20划分，该平面本身接纳气缸2的纵向中心轴线4并且平行于曲轴6的转动轴线8布置或者同样本身接纳该转动轴线。在平面20的一侧上现在设置压力侧21并且在对置的侧面上设置背压侧22。在内燃机1运行期间，活塞3由作用到其上的气体压力或者说由反向于气体压力的、通过连杆5施加到其上的反力朝向压力侧21挤压。上述情况引起的反力的分量被看作是横向力。横向力的力矢量垂直于平面20(在此未示出)。
该横向力要通过相应地运行线性电机9被反作用。尤其是为此运行定子13的定子元件14，即加载电流。上述情况可以间隙性地实现，从而横向力越强地作用到活塞3上，则借助线性电机9产生的平衡力——其反向于反力——越大。这通常意味着，定子元件14在内燃机1的仅一部分工作间隙中运行或者至少与至少另一个定子区段16不同地运行。而且定子元件14可以在曲轴区域中与在曲轴区域之外不同地运行，尤其是以另一种功率。在这种情况下，线性电机9原则上可以或者作为马达或者作为发电机运行。线性电机9例如能以下述方式运行：使由内燃机1提供的或产生的转矩平滑。
图2示出了内燃机1的示意图。示出了多个气缸2，这些气缸分别配属于线性电机9的不同的设计方案。从而从上向下示出了具有线性电机9的五种不同的实施方式的五个气缸2。然而原则上，内燃机1优选仅具有一种类型的线性电机9，从而所有气缸2分别配属于相同的线性电机9。然而，不同类型的线性电机9配属于相同的内燃机1。
在线性电机9的第一种实施方式中仅设置定子元件14。该定子元件沿周向方向仅部分地包围气缸2。在此，该定子元件布置在压力侧21上。而在第二种实施方式中，定子元件14设置在背压侧22上。第三种实施方式除了定子元件14之外又具有定子区段16，其中，定子元件14位于压力侧21上，且定子区段16位于背压侧22上。定子元件14和定子区段16沿周向方向具有相同的延伸长度并且在此关于平面20对称地布置。
线性电机9的第四种实施方式除了定子元件14之外还具有多个定子区段16，在此示出的实施例中具有三个定子区段16。定子元件14和定子区段16沿周向方向分别具有相同的延伸长度并且均匀分布地布置在气缸2的周部上。第五种实施方式具有定子元件14和刚好一个定子区段16。定子元件14仅设置在压力侧21上，而定子区段16延伸过整个背压侧22直至压力侧21，尤其是仅在一侧或(如在此示出的那样)在两侧。就此而言，定子区段16优选至少在一侧、尤其是在两侧直接地邻接于定子元件14。
借助在此描述的具有一体的线性电机9的内燃机1，在运行内燃机1期间作用到活塞3上的横向力可以至少部分地、特别优选完全地被补偿。上述情况能实现低摩擦地运行内燃机1并且因此能实现高效率。

Claims (12)

1.一种内燃机(1)，具有至少一个气缸(2)，活塞(3)以能线性移动的方式支承在所述至少一个气缸中，其中，活塞(3)通过连杆(5)与内燃机(1)的曲轴(6)作用连接，其特征在于，活塞(3)设计成线性电机(9)的动子，线性电机(9)的定子(13)的、配属于气缸(2)的、能独立运行的定子元件(14)关于气缸(2)的纵向中心轴线(4)沿周向方向部分地包围气缸(2)，其中，定子元件(14)设计成沿周向方向延伸的定子区段，定子(13)具有沿周向方向与定子元件(14)相邻布置的至少另一个定子区段(16)，并且定子元件(14)能独立于所述至少另一个定子区段(16)运行，以用于借助线性电机(9)将沿径向方向定向的平衡力至少暂时地施加到活塞(3)上。
2.根据权利要求1所述的内燃机，其特征在于，定子(13)布置在内燃机(1)的、具有气缸(2)的气缸曲轴箱中。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，气缸(2)沿周向方向至少部分地由水套(18)包围，定子(13)沿径向方向布置在水套(18)和气缸(2)的活塞工作面(15)之间。
4.根据权利要求3所述的内燃机，其特征在于，气缸(2)沿周向方向至少部分地由另一个水套(19)包围，定子(13)沿轴向方向相邻于所述另一个水套(19)布置。
5.根据权利要求4所述的内燃机，其特征在于，定子(13)沿轴向方向布置在所述另一个水套(19)下方。
6.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，定子元件(14)至少部分地布置在假想的平面(20)的一侧上，所述假想的平面本身接纳气缸(2)的纵向中心轴线(4)并且平行于曲轴(6)的转动轴线(8)布置。
7.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，定子元件(14)完全地布置在假想的平面(20)的一侧上。
8.根据权利要求6所述的内燃机，其特征在于，垂直于平面(20)的横向力——所述横向力由于在燃烧行程期间出现的气体压力而作用到活塞(3)上——从平面(20)的背压侧(22)指向平面(20)的压力侧(21)，其中，定子元件(14)布置在压力侧(21)上。
9.根据权利要求1或2所述的内燃机，其特征在于，动子具有至少一个永久磁铁(10、11、12)或设计成鼠笼式动子。
10.一种用于运行内燃机(1)的方法，其中，内燃机(1)具有至少一个气缸(2)，活塞(3)以能线性移动的方式支承在所述至少一个气缸中，其中，活塞(3)通过连杆(5)与内燃机(1)的曲轴(6)作用连接，其特征在于，活塞(3)设计成线性电机(9)的动子，线性电机(9)的定子(13)的、配属于气缸(2)的、能独立运行的定子元件(14)关于气缸(2)的纵向中心轴线(4)沿周向方向部分地包围气缸(2)，其中，定子元件(14)设计成沿周向方向延伸的定子区段，定子(13)具有沿周向方向与定子元件(14)相邻布置的至少另一个定子区段(16)，并且定子元件(14)能独立于所述至少另一个定子区段(16)运行，以用于借助线性电机(9)将沿径向方向定向的平衡力施加到活塞(3)上，其中，线性电机(9)至少暂时地运行，以用于施加平衡力。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，线性电机(9)至少暂时地以下述方式运行，即平衡力反作用于横向力，所述横向力由于在燃烧行程期间出现的气体压力而作用到活塞(3)上。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述方法用于运行根据权利要求2-9中任一项所述的内燃机(1)。
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