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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mit einer elektrischen Maschine und einem Verbrennungsmotor, der während seines Betriebs eine Verbrennungsphase und eine Kompressionsphase aufweist, zum Antrieb der elektrischen Maschine für die Stromerzeugung während der Verbrennungsphase. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Stromerzeugung mit einer elektrischen Maschine und einem Verbrennungsmotor.
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In vielen Bereichen der Technik wird elektrischer Strom durch einen Generator erzeugt, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Beispielsweise sind Verbrennungsmotoren in einem Aggregat zusammen mit Generatoren im Flugzeugbereich bekannt. Bei einem konkreten Beispiel einer 400 kW APU (Auxiliary Power Unit) mit einem Wankelmotor beträgt das Gewicht des Wankelmotors 110 kg und das Gewicht des Generators 107 kg. Damit ergibt sich für den Wankelmotor ein Leistungsgewicht von 400 kW / 110 kg = 3,63 kW/kg und für den Generator 3,73 kW/kg. Heute werden jedoch deutlich höhere Leistungsgewichte von beispielsweise 8 kW/kg gefordert.
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1 zeigt schematisch eine übliche Hubkolbenmaschine. Sie besitzt einen Zylinder S1, in dem sich ein Kolben S2 zwischen einem unteren Todpunkt UT und einem oberen Todpunkt OT hin- und herbewegt. Der Kolben S2 ist an einem Ende einer Pleuelstange S3 befestigt. Das andere Ende der Pleuelstange ist drehbeweglich an einer Kurbel S4 befestigt. Während der linearen Bewegung des Kolbens S2 in dem Zylinder S1 vollführt die Kurbel S4 eine Drehbewegung, die durch den Winkel φ gekennzeichnet ist. Die Kurbel S4 bewegt sich während einer Hin- und Herbewegung (beispielsweise vom oberen Todpunkt zum unteren Todpunkt und zurück) des Kolbens S2 vollständig um ihre eigene Achse.
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2 zeigt den Drehmomentenverlauf über dem Kurbelwellenwinkel φ. Bei φ = 0° wird das verdichtete Brennstoffgemisch gezündet. Das Drehmoment M steigt auf ca. 5000 Nm an, und der Kolben S2 wird nach unten beschleunigt. Bei ca. 100° ist der Verbrennungsprozess (Verbrennungsphase S5) beendet. Der Hubzylinder S1 muss jetzt gespült und mit einem neuen Brennstoffgemisch befüllt werden (Winkelbereich 110° bis 260°). In dem Bereich von 260° bis 360° (Kompressionsphase S6) wird das Brennstoffgemisch verdichtet. Die für die Verdichtung bzw. Kompression notwendige Energie und die Bewegungsenergie fürs Spülen und Befüllen wird üblicherweise aus der Schwungmasse des Hubkolbenmotors genommen.
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In dem Beispiel von 2 wird während der ersten Hälfte der Kurbelumdrehung von der Maschine ein mittleres Moment 577 Nm erzeugt. In der zweiten Hälfte hingegen, in der das Verdichten des neuen Brennstoffgemisches notwendig ist, muss im Mittel ein Drehmoment hier von 221 Nm aufgebracht werden. Dieses Moment wird durch die Trägheitsmasse des Motors bereitgestellt.
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Der Zyklus der Hubenkolbmaschine könnte optimiert werden, wenn im Verbrennungsbereich die Geschwindigkeit des Kolbens eher erhöht wird, damit die Expansion bei höherer Temperatur abläuft. Das Verdichten hingegen sollte eher bei niedrigerer Temperatur stattfinden, damit möglichst wenig Energie in den Verdichtungsprozess hineingesteckt werden muss. Mit hoher Temperatur bei der Expansion und niedrigerer Temperatur bei der Verdichtung kann ein höherer thermischer Wirkungsgrad erzielt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Stromerzeugung bereitzustellen, die ein geringeres Leistungsgewicht besitzt als bekannte Stromerzeugungsvorrichtungen. Darüber hinaus soll ein entsprechendes Verfahren zur Stromerzeugung zur Verfügung gestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Stromerzeugung mit
- – einer elektrischen Maschine und
- – einem Verbrennungsmotor, der während seines Betriebs eine Verbrennungsphase und eine Kompressionsphase aufweist, zum Antrieb der elektrischen Maschine für die Stromerzeugung während der Verbrennungsphase, wobei
- – die elektrische Maschine so ausgebildet ist, dass der Verbrennungsmotor während der Kompressionsphase durch die elektrische Maschine angetrieben wird.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zur Stromerzeugung mit einer elektrischen Maschine und einem Verbrennungsmotor, der während seines Betriebs eine Verbrennungsphase und eine Kompressionsphase aufweist, durch
- – Antreiben der elektrischen Maschine für die Stromerzeugung mittels des Verbrennungsmotors während der Verbrennungsphase, und
- – Antreiben des Verbrennungsmotors während der Kompressionsphase durch die elektrische Maschine.
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In vorteilhafter Weise wird also in der Verbrennungsphase des Verbrennungsmotors die elektrische Maschine vom Verbrennungsmotor angetrieben, während in der Kompressionsphase die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor antreibt. Es erfolgt also während eines Zyklus des Verbrennungsmotors ein Umschalten der elektrischen Maschine vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb oder umgekehrt. Dies aber birgt den entscheidenden Vorteil, dass für die Maschine keine zusätzliche Masse bereitgestellt werden muss, die den Verbrennungsmotor in der Kompressionsphase antreibt. Die elektrische Maschine, die für den Generatorbetrieb ohnehin notwendig ist, übernimmt also zusätzlich die Funktion einer Schwungmasse, sodass auf letztere zumindest teilweise verzichtet werden kann. Hierdurch steigt das Leistungsgewicht der Vorrichtung zur Stromerzeugung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor als Gegenkolbenmotor ausgebildet. Derartige Gegenkolbenmotoren sind als sehr effiziente Verbrennungsmotoren bekannt.
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Dabei kann die elektrische Maschine an einen ersten Kolben des Gegenkolbenmotors und eine weitere elektrische Maschine an einen zweiten Kolben des Gegenkolbenmotors gekoppelt sein. Damit lässt sich ein sehr einfach aufzubauender Verbrennungsmotor, der wegen seiner Symmetrie kaum Vibrationen erzeugt, sehr effizient für die Stromerzeugung eingesetzt werden.
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Insbesondere ist es günstig, wenn die Vorrichtung mit einer einzigen Steuereinrichtung zum Steuern der elektrischen Maschine, der weiteren elektrischen Maschine und des Verbrennungsmotors ausgestattet ist, wobei die beiden Kolben des Gegenkolbenmotors durch die Steuereinrichtung synchronisiert werden. Dadurch, dass die Steuereinrichtung alle wesentlichen Komponenten der Stromerzeugungsvorrichtung steuert, kann auf separate Steuereinrichtungen verzichtet werden, wodurch sich letztlich Gewicht einsparen lässt. Darüber hinaus wird die Steuereinrichtung zum Synchronisieren der Kolben des Gegenkolbenmotors verwendet, was eine mechanische Kopplung der Kolben, z.B. mittels einer Kette, überflüssig macht. Auch dies führt zu einer Gewichtseinsparung.
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Alternativ kann es sich bei dem Verbrennungsmotor auch um einen Wankelmotor handeln. Dieser hat den Vorteil, dass die Rotationsenergie des Rotationskolbens unmittelbar auf den Rotor der elektrischen Maschine übertragen werden kann, was diesbezügliche mechanische Verluste vermeidet. Außerdem zeichnet sich der Wankelmotor auch durch seine geringen Vibrationen aus.
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Der Kolben des Verbrennungsmotors (Hubkolben oder Rotationskolben) besitzt während eines Umlaufzyklus (Rotations- oder Hubzyklus) ein bestimmtes Geschwindigkeitsprofil. Dabei ist es vorteilhaft, wenn dieses Geschwindigkeitsprofil, für die Kompressionsphase und/oder die Verbrennungsphase durch eine Steuereinrichtung vor oder während des Betriebs der Vorrichtung veränderbar ist. Damit ist es möglich, dass die Geschwindigkeit des Kolbens in der Verbrennungsphase im Wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit in der Kompressionsphase eingestellt wird. Hiermit lässt sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors nicht nur beim Verbrennen, sondern auch während des Spülens und Befüllens des Verbrennungsraums optimieren.
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Die elektrische Maschine kann beispielsweise einen Rotor besitzen, der während des Betriebs der Vorrichtung nur in einem Winkelbereich kleiner 180° und vorzugsweise kleiner 90° hin- und hergedreht wird. Dies hat den Vorteil, ein Kippmoment dass auf die Pleuelstange eines Hubkolbenmotors, der als Verbrennungsmotor benutzt wird, geringer gehalten werden kann. Gleiches gilt für den Kippwinkel der Pleuelstange. Dies aber ermöglicht eine vereinfachte Dichtung des Kolbens in dem Zylinder, beispielsweise durch einfache Graphitringe.
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Alternativ kann die elektrische Maschine auch ein Linearmotor sein. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einem Gegenkolbenmotor die Linearbewegungen der Kolben unmittelbar vom Linearmotor bzw. -generator ohne mechanische Umsetzung aufgenommen werden können.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Drehstrommaschine, die über einen Umrichter elektrisch mit einem Zwischenkreis verbunden ist, welcher einen Zwischenkreiskondensator zur Energiebereitstellung für die Kompressionsphase des Verbrennungsmotors aufweist. Hierbei wird also die Energie für die Kompressionsphase, die im Stand der Technik durch die Schwungmasse des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden musste, in dem Zwischenkreiskondensator gespeichert. Sie kann dann in Bruchteilen von Sekunden zeitgerecht bereitgestellt werden.
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Die oben geschilderte Vorrichtung bzw. das oben geschilderte Verfahren kann in jedem technischen Bereich eingesetzt werden, in dem die Erzeugung von Strom notwendig ist. Insbesondere kann die Vorrichtung beispielsweise in einem Flugzeug eingesetzt werden.
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Die oben dargestellten Lösungsmerkmale und Weiterbildungen der Erfindung können, soweit sie nicht als Alternativen dargestellt sind, einzeln und in Gruppen miteinander kombiniert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein Schema eines Hubkolbenmotors gemäß dem Stand der Technik;
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2 einen Drehmomentenverlauf des Hubkolbenmotors von 1 gemäß dem Stand der Technik und
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3 ein erfindungsgemäßes mechatronisches Aggregat zur Stromerzeugung.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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3 gibt schematisch ein mechatronisches Aggregat GMGVM (Generator/Motor-Gegenkolbenverbrennungsmotor) wieder. Obwohl die vorliegende Erfindung beispielsweise mit nur einem einzigen Hubkolbenmotor und einer einzigen elektrischen Maschine realisierbar ist, bezieht sich das Beispiel von 3 auf ein Aggregat mit einem Gegenkolbenmotor 1 und einer ersten elektrischen Maschine 2 sowie einer zweiten elektrischen Maschine 3. Beide elektrische Maschinen sind als Motor oder Generator betreibbar. Die elektrischen Maschinen 2, 3 sind hier als Drehstrommaschinen ausgebildet und liefern den von ihnen erzeugten Strom über Umrichter 4, 5 hier an einen DC-Zwischenkreis 6. Im Motorbetrieb werden die elektrischen Maschinen 2, 3 von dem Zwischenkreis 6 mit Energie versorgt.
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Das gesamte Aggregat wird von einer einzigen Regelung bzw. Steuerung 7 gesteuert/geregelt. Explizit wird also der Gegenkolbenmotor 1 (allgemein der Verbrennungsmotor), die erste elektrische Maschine 2, die zweite elektrische Maschine 3, der erste Umrichter 4 und der zweite Umrichter 5 von der Steuerung 7 geregelt bzw. gesteuert.
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Der Gegenkolbenmotor 1 besitzt einen Zylinder 8, in dem sich ein erster Kolben 9 und ein zweiter Kolben 10 gegenläufig bewegen. Zwischen den aufeinander zugewandten Stirnseiten der beiden Kolben 9, 10 befindet sich ein Verbrennungsraum 11, in den eine Zündkerze 12 ragt. In den Verbrennungsraum 11 wird beispielsweise durch eine Einspritzeinrichtung 13 ein solches Benzingemisch eingespritzt, das von einer Gemischerzeugungseinrichtung 14 stammt. Alternativ kann das Brennstoffgemisch auch erst direkt im Verbrennungsraum 11 erzeugt werden. Die Einspritzeinrichtung 13 und die Zündkerze 12 des Gegenkolbenverbrennungsmotors 1 werden von der Steuerung 7 gesteuert.
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Für das Spülen des Zylinders 8 sind auf jeder Kolbenseite Öffnungen im Zylinder vorgesehen, aus denen Abgase 15, 16 abgeführt werden können.
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Die Energie des ersten Kolbens 9 wird über eine erste Pleuelstange 17 auf eine erste Kurbel 18 übertragen. Ebenso wird die Energie des zweiten Kolbens 10 über eine zweite Pleuelstange 19 zu einer zweiten Kurbel 20 übertragen. Pleuel 17, 19 und Kurbeln 18, 20 setzen also die Linearbewegung der Kolben 9, 10 in rotatorische Bewegung um. Die erste Kurbel 18 ist direkt an den Rotor der ersten Maschine 2 gekoppelt, ebenso wie die zweite Kurbel 20 mit dem Rotor der zweiten elektrischen Maschine 3 gekoppelt ist. In der schematischen Ansicht von 3 sind die Drehachsen der elektrischen Maschinen senkrecht zu den Drehachsen der Kurbeln dargestellt, in der Realität sind jedoch Kurbel und Rotor i.d.R. koaxial miteinander angeordnet.
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Als elektrische Maschinen 2, 3 können neben Drehstrommaschinen auch Ein-Phasen-Wechselstrommaschinen oder andere eingesetzt werden.
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Im vorliegenden Beispiel wir der Drehstrom der elektrischen Maschinen durch die Umrichter 4, 5 in Gleichstrom gewandelt. Mit dem Gleichstrom wird ein Zwischenkreis 6 versorgt. In dem Zwischenkreis 6 befindet sich typischerweise ein Zwischenkreiskondensator (hier nicht eingezeichnet) mit dem eine gewisse Menge an elektrischer Energie gespeichert werden kann. Diese Energie wird hier für die Kompression im Gegenkolbenmotor 1 benötigt. Für die Kompression liefert also der Zwischenkreiskondensator über die Umrichter 4, 5 an die elektrischen Maschinen 2, 3 die notwendige Energie. Hierdurch können die elektrischen Maschinen 2, 3 motorisch betrieben werden und die jeweiligen Kolben 9, 10 bis zu den oberen Todpunkten OT1 und OT2 zurückdrücken, sodass das Brennstoffgemisch im Verbrennungsraum 11 komprimiert wird.
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Zu Beginn des Betriebs der Stromerzeugungsvorrichtung bzw. des Aggregats müssen die Anfangsstellungen der Kolben 9, 10 des Gegenkolbenmotors vorgegeben werden. Dies kann durch die motorisch betriebenen elektrischen Maschinen 2, 3 erfolgen, wobei die Kurbeln 18, 20 so gedreht werden, dass die entsprechenden Kolbenstellungen erreicht werden. Hierdurch werden die Kolben erstmals synchronisiert. Auch während des Betriebs der Vorrichtung werden die Kolben durch die Steuerung 7 synchronisiert, sodass beispielsweise auf eine zur Synchronisation notwendige Kette verzichtet werden kann. Beispielsweise beginnt dann der Betrieb der Vorrichtung, wenn die beiden Kolben 9, 10 an die oberen Todpunkte OT1 und OT2 gefahren wurden.
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Der Zeitpunkt der Einspritzung sowie der Zeitpunkt der Zündung wird ebenfalls von der Steuerung 7 vorgegeben. Während der Verbrennung werden dann die beiden elektrischen Maschinen generatorisch betrieben und von der Steuerung 7 leistungsgeregt. Hierdurch kann erreicht werden, dass während des gesamten Verbrennungstakts ein gleichmäßigeres Drehmoment erzeugt wird als beispielsweise bei dem Hubkolbenmotor der 1 und 2.
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Während des Spülens und während des Verdichtens können die dann motorisch betriebenen elektrischen Maschinen 2 und 3 das Geschwindigkeitsprofil der Kolben vorgeben. Das Geschwindigkeitsprofil ist damit nicht fest von einer Schwungmasse vorgegeben, sondern kann frei variiert werden. Beispielsweise kann der bzw. die Kolben für den Spülvorgang und/oder den Einspritzvorgang durch die Steuerung 7 angehalten werden. Ein derartiges Anhalten ist damit in jeder Stellung des/der Kolben möglich, während dies bei konventionellen Maschinen nur im unteren oder oberen Todpunkt möglich ist.
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Durch die Steuerung der Umrichter 4, 5 kann auch die elektrische Last der elektrischen Maschinen 2 und 3 variiert werden. Hierdurch lässt sich die Geschwindigkeit der Kolben 9, 10 vor der Flammenfront in der Verbrennungsphase verändern. Somit lässt sich der Verbrennungsprozess in der Verbrennungsphase optimieren.
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In vorteilhafter Weise zeichnet sich das mechatronische Aggregat ggf. durch eine gemeinsame Steuerung bzw. Regelung aller Hauptkomponenten aus. Dadurch können sich deutliche Gewichtsvorteile ergeben. Eine weitere Steigerung der Leistungsgewichte ist dadurch möglich, dass wegen der motorisch betriebenen elektrischen Maschinen bzw. Generatoren keine zusätzlichen Schwungmassen notwendig sind. Die Energie für die Kompression wird beispielsweise in den Kondensatoren der Umrichter und falls notwendig in Kondensatormodulen des Spannungszwischenkreises gespeichert (nicht mehr in schweren Schwungrädern).
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Als Vorteil des im obigen Beispiel verwendeten Gegenkolbenmotors ist ferner zu nennen, dass Aktio und Reaktio in Nutzleistung umgesetzt werden. Dadurch ist der Aufbau des Verbrenners einfach, denn es bedarf in der Regel nur eines Zylinderrohrs ohne Deckel. Die Massenkräfte eines solchen Gegenkolbenmotors sind aufgrund seiner Symmetrie wesentlich kleiner, und das Gehäuse kann entsprechend leichter gebaut werden.
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Durch die steuerbare Vorgabe eines Geschwindigkeitsprofils während des Spülens, Befüllens und Verdichtens kann der thermische Wirkungsgrad verbessert werden. Außerdem kann der Generator/Motor mit unterschiedlichen Verbrennungshüben, die für unterschiedliche Brennstoffe notwendig sind, betrieben werden. Dies entspricht einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis.
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In der Praxis sollte der Generator/Motor und der jeweilige Umrichter eine hohe Stromüberlastfähigkeit besitzen. Dies ist deswegen notwendig, da die gesamte elektrische Leistung in einem Bruchteil des Umlaufzyklus der elektrischen Maschine (in der Regel weniger als 180°) erzeugt wird. Es ist also die Momentanleistung wesentlich höher als die mittlere Leistung.
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Außerdem sind in dem Aggregat möglichst kleine ohmsche Widerstände und kleine Streuinduktivitäten einzusetzen, um den Spannungsbedarf so gering wie möglich zu halten.
