Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. The invention relates to a method for operating a device according to the preamble of patent claim 1.
Ein solches Verfahren ist der DE 10 2011 087 790 A1 als bekannt zu entnehmen. Im Rahmen dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung betrieben, welche wenigstens einen Gegenkolbenmotor, wenigstens eine erste elektrische Maschine und wenigstens eine zweite elektrische Maschine umfasst. Der Gegenkolbenmotor umfasst zumindest zwei Kolben, die in einem gemeinsamen Zylinder angeordnet sind. Die Kolben sind dabei aufeinander zubewegbar und voneinander wegbewegbar. Darüber hinaus sind die Kolben über ein jeweiliges Pleuel mit einer jeweiligen Kurbel gelenkig gekoppelt, wobei die jeweilige Kurbel um eine jeweilige Drehachse drehbar ist. Durch diese gelenkige Kopplung können translatorische Bewegungen der Kolben in dem Zylinder in eine jeweilige, rotatorische Bewegung der jeweiligen Kurbel umgewandelt werden. Such a method is the DE 10 2011 087 790 A1 to be known as known. In the context of this method, a device is operated which comprises at least one opposed-piston engine, at least one first electric machine and at least one second electric machine. The opposed piston engine comprises at least two pistons, which are arranged in a common cylinder. The pistons are movable toward each other and wegbewegbar from each other. In addition, the pistons are pivotally coupled via a respective connecting rod to a respective crank, wherein the respective crank is rotatable about a respective axis of rotation. By means of this articulated coupling, translational movements of the pistons in the cylinder can be converted into a respective, rotational movement of the respective crank.
Die erste elektrische Maschine umfasst einen ersten Rotor, mittels welchem eine der Kurbeln antreibbar ist. Hierzu wird die erste elektrische Maschine beispielsweise in einem Motorbetrieb betrieben, wobei ein vom Rotor bereitgestelltes Drehmoment auf die eine Kurbel übertragbar ist bzw. übertragen wird. The first electric machine comprises a first rotor, by means of which one of the cranks is drivable. For this purpose, the first electric machine is operated, for example, in a motor operation, wherein a torque provided by the rotor is transferable to the one crank or is transmitted.
Die zweite elektrische Maschine umfasst einen zweiten Rotor, mittels welchem die andere Kurbel antreibbar ist. Hierzu wird die zweite elektrische Maschine in einem Motorbetrieb betrieben, so dass von der zweiten elektrischen Maschine über ihren zweiten Rotor bereitgestellte Drehmomente auf die andere Kurbel übertragen werden können. The second electric machine comprises a second rotor, by means of which the other crank can be driven. For this purpose, the second electric machine is operated in a motor operation, so that torques provided by the second electric machine via its second rotor can be transmitted to the other crank.
Im Zuge des Verfahrens wird eine Bewegung zumindest eines der Kolben mittels der entsprechenden, zugehörigen elektrischen Maschine über deren Rotor beeinflusst. In the course of the method, a movement of at least one of the pistons is influenced by means of the corresponding, associated electrical machine via its rotor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und schadstoffarmer Betrieb der Vorrichtung realisierbar ist. Object of the present invention is to develop a method of the type mentioned in such a way that a particularly efficient and low-emission operation of the device can be realized.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter und schadstoffarmer Betrieb der Vorrichtung realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bewegung des zumindest einen Kolbens derart beeinflusst wird, dass sich die Kolben im Zylinder zumindest zeitweise phasenversetzt bewegen. Mit anderen Worten ist eine die Bewegung des zumindest einen Kolbens charakterisierende Phase bezüglich der Phase des anderen Kolbens versetzt. Darunter ist zu verstehen, dass beispielsweise der zumindest eine Kolben zu einem Zeitpunkt während der phasenversetzten Bewegung einen ersten Abstand von seinem unteren Totpunkt aufweist, wobei der andere Kolben zu demselben Zeitpunkt einen zweiten Abstand von seinem unteren Totpunkt aufweist und wobei die Abstände voneinander unterschiedlich sind. In order to develop a method specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly efficient and low-emission operation of the device can be realized, it is inventively provided that the movement of the at least one piston is influenced such that the piston in the cylinder at least temporarily out of phase move. In other words, a phase characterizing the movement of the at least one piston is offset with respect to the phase of the other piston. By this is meant, for example, that at least one piston at a time during the phase-staggered movement has a first distance from its bottom dead center, the other piston at the same time has a second distance from its bottom dead center and wherein the distances are different from each other.
Dies bedeutet, dass sich die Kolben bezogen auf ihre jeweilige Bewegung zu demselben Zeitpunkt in unterschiedlichen Stellungen befinden. Die Kolben sind dabei vorzugsweise geometrisch zumindest im Wesentlichen identisch ausgebildet und legen vom jeweiligen unteren Totpunkt zum jeweiligen oberen Totpunkt zumindest im Wesentlichen die gleiche Strecke zurück. Oder nochmals anders ausgedrückt: Hat beispielsweise der eine Kolben zum genannten Zeitpunkt einen ersten Prozentsatz des vollständigen Weges von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt zurückgelegt, so hat der andere Kolben zum selben Zeitpunkt einen zweiten Prozentsatz seines vollständigen Weges von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt zurückgelegt, wobei die Prozentsätze voneinander unterschiedlich sind und wobei dieser Unterschied, d. h. der Phasenversatz der Kolben aktiv durch das Beeinflussen der Bewegung mittels wenigstens einer der elektrischen Maschinen bewirkt wird. This means that the pistons are in different positions relative to their respective movement at the same time. The pistons are preferably formed geometrically at least substantially identical and at least substantially the same distance from the respective bottom dead center to the respective top dead center. Or again, in other words, if, for example, one piston has traveled a first percentage of the full path from its bottom dead center to its top dead center at that time, the other piston will have a second percentage of its full travel from its bottom dead center to its top at the same time Totpunkt completed, the percentages are different from each other and this difference, d. H. the phase offset of the pistons is actively effected by influencing the movement by means of at least one of the electrical machines.
Durch das Bewirken der zumindest zeitweise phasenversetzten Bewegungen der Kolben ist es beispielsweise möglich, ein im Zylinder aufgenommenes, zu zündendes und dadurch zu verbrennendes Kraftstoff-Luft-Gemisch besonders gut zu homogenisieren. Durch diese Homogenisierung kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch besonders gut, effizient und schadstoffarm durchbrennen. Darüber hinaus ist es durch das Bewirken der zumindest zeitweise phasenversetzten Bewegung der Kolben möglich, besonders günstige Entflammungsbedingungen zu schaffen, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch nach seiner durch die Kolben bewirkten Kompression effizient und definiert zünden zu können. Dabei können Fehlzündungen vermieden oder die Gefahr, dass es zu Fehlzündungen kommt, besonders gering gehalten werden. By causing the movements of the pistons, which are at least temporarily phase-shifted, it is possible, for example, to homogenize a fuel-air mixture which is received in the cylinder and which is to be ignited and thereby burned. This homogenization allows the fuel-air mixture to burn through particularly well, efficiently and with low emissions. Moreover, by effecting the movement of the pistons, which is at least temporarily out of phase, it is possible to provide particularly favorable ignition conditions in order to be able to ignite the fuel-air mixture efficiently and in a defined manner after it has been compressed by the pistons. Mistakes can be avoided or the risk of misfiring being minimized.
Die Vorrichtung bietet dabei im Vergleich zu herkömmlichen Motoren oder Generatoren zwei zusätzliche Freiheitsgrade für den Verbrennungsprozess. Bei diesen Freiheitsgraden handelt es sich um eine Drehzahl- und Lageregelung der Kurbeln und der diesen zugeordneten Kolben. Dies bedeutet, dass mittels der elektrischen Maschinen die Drehzahl und die Lage der Kurbeln und der Kolben während einer Kurbelumdrehung geregelt oder gesteuert geändert und somit beeinflusst werden können. Mit anderen Worten ist es möglich, die jeweiligen Kolben mittels der jeweiligen elektrischen Maschinen innerhalb einer jeweiligen Umdrehung der Kurbeln zu beschleunigen oder abzubremsen. Hierzu werden beispielsweise die jeweiligen Kurbeln über den jeweiligen Rotor in einem jeweiligen Motorbetrieb der elektrischen Maschinen angetrieben oder in einem jeweiligen Generatorbetrieb abgebremst. The device offers two additional degrees of freedom for the combustion process in comparison to conventional motors or generators. These degrees of freedom are a speed and position control of the cranks and the associated piston. This means that the rotational speed and the position of the cranks and the pistons can be changed or controlled controlled and thus influenced during a crank revolution by means of the electric machines. In other words, it is possible to accelerate or decelerate the respective pistons by means of the respective electric machines within a respective revolution of the cranks. For this purpose, for example, the respective cranks are driven via the respective rotor in a respective engine operation of the electric machines or decelerated in a respective generator operation.
In besonders vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung wird durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben eine Selbstzündung des in dem Zylinder aufgenommenen Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt. Mit anderen Worten werden durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben Bedingungen, insbesondere Druck- und/oder Temperaturbedingungen, durch entsprechendes Komprimieren des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder geschaffen, so dass eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird. Hierdurch kann auf den Einsatz einer Zündkerze zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches verzichtet werden, so dass die Teilanzahl, der Bauraumbedarf, das Gewicht und die Kosten der Vorrichtung besonders gering gehalten werden können. Ferner ist dadurch ein besonders effizienter und effektiver Betrieb der Vorrichtung realisierbar. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a self-ignition of the recorded in the cylinder fuel-air mixture is caused by the phase-shifted movement of the piston. In other words, the phase-shifted moving of the pistons creates conditions, in particular pressure and / or temperature conditions, by correspondingly compressing the fuel-air mixture in the cylinder, so that auto-ignition of the fuel-air mixture is effected. This makes it possible to dispense with the use of a spark plug for igniting the fuel-air mixture, so that the number of parts, the space requirement, the weight and the cost of the device can be kept particularly low. Furthermore, a particularly efficient and effective operation of the device is thereby realized.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben eine homogene Kompressionszündung des in dem Zylinder aufgenommenen Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird. Als homogene Kompressionszündung (HCCI – homogeneous charge compression ignition) wird das Konzept für einen Verbrennungsmotor und vorliegend für den Gegenkolbenmotor bezeichnet, bei dem die Verbrennung des zumindest im Wesentlichen homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig im gesamten Zylinder bzw. in einem zumindest teilweise durch den Zylinder und teilweise durch die Kolben begrenzten Brennraum des Gegenkolbenmotors beginnt. It has proven to be particularly advantageous if the phase-shifted movement of the pistons causes a homogeneous compression ignition of the fuel-air mixture received in the cylinder. Homogeneous charge compression ignition (HCCI) is the concept for an internal combustion engine and in this case for the opposed piston engine, in which the combustion of the at least substantially homogeneous fuel-air mixture in the cylinder at least substantially simultaneously in the entire cylinder or begins in an at least partially limited by the cylinder and partially by the piston combustion chamber of the piston engine.
Mittels einer solchen homogenen Kompressionszündung kann der Schadstoffausstoß besonders gering gehalten werden. Durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben ist es möglich, Temperatur- und/oder Druckbedingungen im Zylinder bzw. im Brennraum zu schaffen, so dass eine definierte Zündung, d.h. eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder zu einem definierten, vorgebbaren Zeitpunkt bewirkt werden kann. Fehlzündungen, die beispielsweise eine sehr hohe Belastung für den Gegenkolbenmotor darstellen und gegebenenfalls zu Schäden führen könnten, können vermieden werden. By means of such a homogeneous compression ignition, the emission of pollutants can be kept very low. The phase-shifted movement of the pistons makes it possible to create temperature and / or pressure conditions in the cylinder or in the combustion chamber, so that a defined ignition, i. an ignition of the fuel-air mixture in the cylinder can be effected at a defined, specifiable time. Misfiring, for example, represent a very high load for the piston engine and could possibly lead to damage can be avoided.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird zum Bewirken der zumindest zeitweise phasenversetzten Bewegung der Kolben einer der Kolben gegenüber dem anderen Kolben mittels des zugehörigen Rotors zumindest zeitweise abgebremst. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the piston of one of the pistons is at least temporarily braked by means of the associated rotor to effect the at least temporarily out of phase movement of the piston.
Als besonders vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn nach dem Abbremsen der eine Kolben gegenüber dem anderen Kolben mittels des zugehörigen Rotors zeitweise beschleunigt wird. Hierdurch kann die zeitweise phasenversetzte Bewegung bewirkt werden. Ferner ist es dadurch möglich, zu bewirken, dass die Kolben zum selben Zeitpunkt die bezogen auf ihre jeweilige Bewegung gleiche Stellung erreichen. It has proven particularly advantageous if, after braking, one piston is temporarily accelerated relative to the other piston by means of the associated rotor. As a result, the temporarily phase-offset movement can be effected. Further, it is thereby possible to cause the pistons to reach the same position with respect to their respective movement at the same time.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Bewegung derart beeinflusst wird, dass die Kolben gleichzeitig ihren jeweiligen unteren Totpunkt erreichen. Ausgehend von ihrem jeweiligen unteren Totpunkt können die Kolben dann in ihren jeweiligen oberen Totpunkt bewegt werden, so dass eine besonders vorteilhafte, effektive und effiziente Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisierbar ist. A further embodiment is characterized in that the movement is influenced in such a way that the pistons simultaneously reach their respective bottom dead center. Starting from their respective bottom dead center, the pistons can then be moved into their respective top dead center, so that a particularly advantageous, effective and efficient compression of the fuel-air mixture can be realized.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, bei einem jeweiligen Ansaughubes der Kolben in den Zylinder eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, wird. Im Zuge des jeweiligen Ansaughubes bewegt sich der jeweilige Kolben in Richtung seines unteren Totpunkts. Da der Kraftstoff zumindest zeitweise während des jeweiligen Ansaughubes in den Zylinder eingebracht wird, kann eine besonders gute Homogenisierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert werden. Daraus resultiert wiederum eine besonders effiziente und schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Finally, it has proven particularly advantageous if fuel, in particular liquid fuel, is introduced into the cylinder during a respective intake stroke of the pistons, in particular directly injected. In the course of the respective intake stroke, the respective piston moves in the direction of its bottom dead center. Since the fuel is at least temporarily introduced into the cylinder during the respective intake stroke, a particularly good homogenization of the fuel-air mixture can be realized. This in turn results in a particularly efficient and low-emission combustion of the fuel-air mixture.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung, welche zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzusehen und umgekehrt. The invention also includes a device which is designed to carry out the method according to the invention. Advantageous embodiments of the method according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the device according to the invention and vice versa.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures are not only in each case specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in: The drawing shows in:
1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung mit einem zwei Kolben umfassenden Gegenkolbenmotor und zwei elektrischen Maschinen, wobei eine Bewegung zumindest eines der Kolben mittels der zugehörigen elektrischen Maschine derart beeinflusst wird, dass sich die Kolben zumindest zeitweise phasenversetzt bewegen; 1 a schematic sectional view of a device comprising a two-piston opposed piston engine and two electric machines, wherein a movement of at least one of the pistons is influenced by the associated electric machine such that the pistons move at least temporarily out of phase;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vorrichtung; 2 a diagram illustrating the operation of the device;
3 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vorrichtung; 3 another diagram illustrating the operation of the device;
4 ein Diagramm mit Druckverläufen, die den Druck in einem Zylinder des Gegenkolbenmotors über der Zeit charakterisieren; und 4 a graph of pressure traces that characterize the pressure in a cylinder of the opposed piston engine over time; and
5 ein Diagramm mit Temperaturverläufen, die die Temperatur in dem Zylinder über der Zeit charakterisieren. 5 a graph of temperature traces that characterize the temperature in the cylinder over time.
1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung, welche beispielsweise zur Stromerzeugung bzw. Stromgewinnung genutzt wird und als ein mechatronisches Aggregat in Form eines Generator-Motor-Gegenkolbenverbrennungsmotors (GMGVM) ausgebildet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Gegenkolbenmotor 12, eine erste elektrische Maschine 14 sowie eine zweite elektrische Maschine 16. Beide elektrische Maschinen 14, 16 sind in einem Motorbetrieb als Motor sowie in einem Generatorbetrieb als Generator betreibbar. Vorliegend sind die elektrischen Maschinen 14, 16 als Drehstrommaschinen ausgebildet und liefern den im jeweiligen Generatorbetrieb erzeugten Strom über Umrichter 18, 20 in einen Gleichstrom-Zwischenkreis 22, welcher auch als DC-Zwischenkreis bezeichnet wird. 1 shows one as a whole 10 designated device which is used for example for power generation or power generation and is designed as a mechatronic unit in the form of a generator-engine-opposed piston combustion engine (GMGVM). The device 10 includes an opposed piston engine 12 , a first electric machine 14 and a second electric machine 16 , Both electrical machines 14 . 16 are operable in a motor operation as a motor and in a generator mode as a generator. These are the electrical machines 14 . 16 designed as three-phase machines and deliver the electricity generated in the respective generator operation via inverter 18 . 20 into a DC link 22 , which is also referred to as a DC link.
Im jeweiligen Motorbetrieb werden die elektrischen Maschinen 14, 16 von dem Gleichstrom-Zwischenkreis 22 mit Energie, d. h. mit elektrischem Strom versorgt. Die gesamte Vorrichtung 10, d. h. das gesamte Aggregat GMGVM wird von einer einzigen, dem Gegenkolbenmotor 12 und den elektrischen Maschinen 14, 16 gemeinsamen Regelung bzw. Steuerung 24 gesteuert bzw. geregelt. Hierzu ist beispielsweise eine dem Gegenkolbenmotor 12 und den elektrischen Maschinen 14, 16 gemeinsame Steuereinrichtung, insbesondere ein Steuergerät, vorgesehen. Explizit wird also der Gegenkolbenmotor 12, die erste elektrische Maschine 14, die zweite elektrische Maschine 16, der erste Umrichter 18 und der zweite Umrichter 20 von der Steuerung 24 geregelt bzw. gesteuert. In the respective engine operation are the electric machines 14 . 16 from the DC link 22 with energy, ie supplied with electricity. The entire device 10 ie the entire GMGVM aggregate is powered by a single, opposed piston engine 12 and the electrical machines 14 . 16 common regulation or control 24 controlled or regulated. For this purpose, for example, the opposed piston engine 12 and the electrical machines 14 . 16 common control device, in particular a control unit provided. Explicitly, therefore, the opposed piston engine 12 , the first electric machine 14 , the second electric machine 16 , the first inverter 18 and the second inverter 20 from the controller 24 regulated or controlled.
Der Gegenkolbenmotor 12 ist eine Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und umfasst einen Zylinder 26, in welchem ein erster Kolben 28 und ein zweiter Kolben 30 des Gegenkolbenmotors 12 aufgenommen sind. Die in dem gemeinsamen Zylinder 26 angeordneten Kolben 28, 30 sind aufeinander zubewegbar und voneinander wegbewegbar. Mit anderen Worten bewegen sich die Kolben 28, 30 während des Betriebs des Gegenkolbenmotors 12 gegenläufig. Zwischen aufeinander zugewandten Stirnseiten der beiden Kolben 28, 30 ist ein Brennraum 32 angeordnet. Der Brennraum 32 wird somit teilweise durch die jeweiligen Stirnseiten, d.h. durch die jeweiligen Kolben 28, 30 und teilweise durch den Zylinder 26 begrenzt. The piston engine 12 is a reciprocating internal combustion engine and includes a cylinder 26 in which a first piston 28 and a second piston 30 of the piston engine 12 are included. The in the common cylinder 26 arranged piston 28 . 30 are movable towards each other and wegbewegbar from each other. In other words, the pistons move 28 . 30 during operation of the opposed piston engine 12 in opposite directions. Between mutually facing end faces of the two pistons 28 . 30 is a combustion chamber 32 arranged. The combustion chamber 32 is thus partially through the respective end faces, ie by the respective pistons 28 . 30 and partly through the cylinder 26 limited.
Vorliegend umfasst der Gegenkolbenmotor 12 eine Zündkerze 34, welche in den Brennraum 32 ragt und mittels welcher ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 32 gezündet werden kann. Wie im Folgenden noch erläutert wird, kann auf die Zündkerze 34 gegebenenfalls auch verzichtet werden. In the present case, the opposed piston engine comprises 12 a spark plug 34 which are in the combustion chamber 32 protrudes and by means of which a fuel-air mixture in the combustion chamber 32 can be ignited. As will be explained below, can on the spark plug 34 possibly also be waived.
Der Gegenkolbenmotor 12 umfasst auch eine Einspritzeinrichtung 36, mittels welcher ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 32 einspritzbar ist. Darüber hinaus umfasst der Gegenkolbenmotor 12 auch eine Gemischerzeugungseinrichtung 38 zum Erzeugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dies bedeutet, dass in einem gefeuerten Betrieb des Gegenkolbenmotors 12 das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Gemischerzeugungseinrichtung 38 bzw. mittels dieser erzeugt und zur Einspritzeinrichtung 36 geführt wird. Mittels der Einspritzeinrichtung 36 wird dann das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 26 bzw. in den Brennraum 32 eingebracht, insbesondere eingespritzt. The piston engine 12 also includes an injector 36 , by means of which a fuel-air mixture in the combustion chamber 32 is injectable. In addition, the opposed piston engine includes 12 also a mixture generator 38 for generating the fuel-air mixture. This means that in a fired operation of the piston engine 12 the fuel-air mixture in the mixture generator 38 or generated by means of this and the injection device 36 to be led. By means of the injector 36 then the fuel-air mixture is in the cylinder 26 or in the combustion chamber 32 introduced, in particular injected.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch erst direkt im Zylinder 26, d.h. im Brennraum 32 erzeugt wird. Hierzu ist beispielsweise wenigstens ein Einspritzelement, ein sogenannter Injektor des Gegenkolbenmotors 12 vorgesehen. Mittels des Injektors wird Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, direkt in den Brennraum 32 eingespritzt. Dort kann sich der eingespritzte Kraftstoff mit Luft, die von den Kolben 28, 30 angesaugt wird, vermischen. Wie in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, werden auch die Zündkerze 34 und die Einspritzeinrichtung 36 von der Steuerung 24 gesteuert bzw. geregelt. Alternatively, it is conceivable that the fuel-air mixture only in the cylinder 26 ie in the combustion chamber 32 is produced. For this purpose, for example, at least one injection element, a so-called injector of the opposed piston engine 12 intended. By means of the injector fuel, especially liquid fuel, directly into the combustion chamber 32 injected. There, the injected fuel may leak with air from the pistons 28 . 30 is sucked in, mix. As in 1 indicated by dashed lines are also the spark plug 34 and the injector 36 from the controller 24 controlled or regulated.
Für das Spülen des Zylinders 26 sind auf Seiten der jeweiligen Kolben 28, 30 Öffnungen im Zylinder 26 vorgesehen, aus denen Abgas abgeführt werden kann. Dies ist in 1 durch Richtungspfeile 40, 42 veranschaulicht. Das Abgas resultiert dabei aus einer Zündung und aus einer anschließenden Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder 26. Der Kolben 28 ist über ein Pleuel 44 mit einer ersten Kurbel 46 einer ersten Kurbelwelle gekoppelt. Dadurch können translatorische Bewegungen des Kolbens 28 im Zylinder 26 in eine rotatorische Bewegung der Kurbel 46 und der ersten Kurbelwelle umgewandelt werden. Entsprechend dazu ist der Kolben 30 über ein Pleuel 48 mit einer zweiten Kurbel 50 einer zweiten Kurbelwelle gelenkig gekoppelt, so dass auch translatorische Bewegungen des Kolbens 30 im Zylinder 26 in eine rotatorische Bewegung der Kurbel 50 und somit der zweiten Kurbelwelle umgewandelt werden können. For rinsing the cylinder 26 are on the part of the respective pistons 28 . 30 Openings in the cylinder 26 provided, from which exhaust gas can be removed. This is in 1 by directional arrows 40 . 42 illustrated. The exhaust gas results from this an ignition and from a subsequent combustion of the fuel-air mixture in the cylinder 26 , The piston 28 is over a connecting rod 44 with a first crank 46 coupled to a first crankshaft. This allows translational movements of the piston 28 in the cylinder 26 in a rotational movement of the crank 46 and the first crankshaft are converted. Corresponding to this is the piston 30 over a connecting rod 48 with a second crank 50 a second crankshaft pivotally coupled, so that also translational movements of the piston 30 in the cylinder 26 in a rotational movement of the crank 50 and thus the second crankshaft can be converted.
Die Kurbeln 46, 50 und somit die jeweiligen Kurbelwellen sind um jeweilige Drehachsen drehbar. Die Drehstellung der Kurbel 46 und der zugehörigen ersten Kurbelwelle um ihre Drehachse ist in 1 mit φ1 bezeichnet, wobei die Drehstellung der Kurbel 50 und somit der zweiten Kurbelwelle um ihre Drehachse in 1 mit φ2 bezeichnet ist. Üblicherweise wird die jeweilige Drehstellung der jeweiligen Kurbelwelle auch als Grad Kurbelwinkel [°KW] bezeichnet. Die jeweilige Drehstellung der jeweiligen Kurbelwelle korrespondiert dabei mit einer entsprechenden Stellung des zugehörigen Kolbens 28, 30 im Zylinder 26. The cranks 46 . 50 and thus the respective crankshafts are rotatable about respective axes of rotation. The rotational position of the crank 46 and the associated first crankshaft about its axis of rotation is in 1 denoted by φ 1 , wherein the rotational position of the crank 50 and thus the second crankshaft about its axis of rotation in 1 is designated by φ 2 . The respective rotational position of the respective crankshaft is usually also referred to as the degree of crank angle [° CA]. The respective rotational position of the respective crankshaft corresponds to a corresponding position of the associated piston 28 . 30 in the cylinder 26 ,
Die erste elektrische Maschine 14 umfasst einen ersten Stator 52 und einen ersten Rotor 54. Der erste Rotor 54 ist um eine Drehachse relativ zum ersten Stator 52 drehbar. Die zweite elektrische Maschine 16 umfasst einen zweiten Stator 56, und einen zweiten Rotor 58, wobei der zweite Rotor 58 um eine Drehachse relativ zum Stator 56 drehbar ist. Die erste Kurbelwelle ist dabei mit dem ersten Rotor 54 gekoppelt oder koppelbar, so dass Drehmomente zwischen dem Rotor 54 und der ersten Kurbelwelle übertragen werden können. Der zweite Rotor 58 ist mit der zweiten Kurbelwelle gekoppelt oder koppelbar, so dass zwischen dem zweiten Rotor 58 und der zweiten Kurbelwelle Drehmomente übertragbar sind. In der schematischen Ansicht von 1 sind die jeweiligen Drehachsen der elektrischen Maschinen 14, 16 senkrecht zu den Drehachsen der Kurbeln 46, 50 und somit der Kurbelwellen dargestellt. Tatsächlich, d. h. in der Realität jedoch ist die erste Kurbelwelle koaxial zum ersten Rotor 54 angeordnet und die zweite Kurbelwelle ist koaxial zum zweiten Rotor 58 angeordnet. The first electric machine 14 includes a first stator 52 and a first rotor 54 , The first rotor 54 is about an axis of rotation relative to the first stator 52 rotatable. The second electric machine 16 includes a second stator 56 , and a second rotor 58 where the second rotor 58 about an axis of rotation relative to the stator 56 is rotatable. The first crankshaft is with the first rotor 54 coupled or couplable, allowing torques between the rotor 54 and the first crankshaft can be transmitted. The second rotor 58 is coupled to the second crankshaft or coupled, so that between the second rotor 58 and the second crankshaft torques are transferable. In the schematic view of 1 are the respective axes of rotation of the electrical machines 14 . 16 perpendicular to the axes of rotation of the cranks 46 . 50 and thus the crankshafts shown. In fact, that is, in reality, the first crankshaft is coaxial with the first rotor 54 arranged and the second crankshaft is coaxial with the second rotor 58 arranged.
Als elektrische Maschinen 14, 16 können anstelle von Drehstrommaschinen beispielsweise auch Ein-Phasen-Wechselstrommaschinen oder andere elektrische Maschine eingesetzt werden. As electrical machines 14 . 16 For example, it is also possible to use single-phase alternating-current machines or other electrical machines instead of three-phase machines.
Bei der Vorrichtung 10 wird der von den elektrischen Maschinen 14, 16 bereitstellbare Drehstrom durch die Umrichter 18, 20 in Gleichstrom gewandelt. Mit dem Gleichstrom wird der Gleichstrom-Zwischenkreis 22 versorgt. In dem Gleichstrom-Zwischenkreis 22 befindet sich typischerweise ein Zwischenkreiskondensator, welcher in 1 nicht dargestellt ist und mittels welchem eine gewisse Menge an elektrischer Energie gespeichert werden kann. Diese Energie kann für eine Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder 26 genutzt werden. Für die Kompression kann also der Gleichstrom-Zwischenkreis 22 über die Umrichter 18, 20 elektrische Energie an die elektrischen Maschinen 14, 16 liefern. Hierdurch können die elektrischen Maschinen 14, 16 motorisch, d. h. in ihrem jeweiligen Motorbetrieb betrieben werden und die Kolben 28, 30 in ihren jeweiligen, oberen Totpunkt OT1 und OT2 drücken, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 32 komprimiert, d. h. verdichtet wird. In the device 10 becomes that of the electric machines 14 . 16 Provable three-phase current through the inverter 18 . 20 converted into direct current. With the direct current is the DC link 22 provided. In the DC link 22 there is typically a link capacitor, which in 1 not shown and by means of which a certain amount of electrical energy can be stored. This energy can be used for compression of the fuel-air mixture in the cylinder 26 be used. For compression, so the DC link 22 via the inverter 18 . 20 electrical energy to the electrical machines 14 . 16 deliver. This allows the electrical machines 14 . 16 motor, ie operated in their respective engine operation and the pistons 28 . 30 Press into their respective top dead center OT1 and OT2, allowing the fuel-air mixture in the combustion chamber 32 compressed, ie compressed.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bietet die Vorrichtung 10 zumindest zwei zusätzliche Freiheitsgrade. Bei diesen zwei Freiheitsgraden handelt es sich um eine Drehzahl- und Lageeinstellung der Kolben 28, 30. Mit anderen Worten kann eine jeweilige Bewegung der jeweiligen Kolben 28, 30 mittels der jeweiligen, zugehörigen elektrischen Maschine 14, 16 über deren Rotor 54, 58 beeinflusst werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Drehzahl und die Lage der Kurbeln 46, 50 bzw. der Kolben 28, 30 während einer jeweiligen Umdrehung der Kurbeln 46, 50 zu ändern. Unlike conventional internal combustion engines, the device offers 10 at least two additional degrees of freedom. These two degrees of freedom are a speed and position adjustment of the piston 28 . 30 , In other words, a respective movement of the respective piston 28 . 30 by means of the respective associated electrical machine 14 . 16 over the rotor 54 . 58 to be influenced. This makes it possible, for example, the speed and the position of the cranks 46 . 50 or the piston 28 . 30 during a respective revolution of the cranks 46 . 50 to change.
Zu Beginn des Betriebs der Vorrichtung 10 werden jeweilige Anfangsstellungen der Kolben 28, 30 vorgegeben. Dies kann beispielsweise durch die elektrischen Maschinen 14, 16 in ihrem jeweiligen Motorbetrieb erfolgen, in dem die Kurbeln 46, 50 über die Rotoren 54, 58 so gedreht werden, dass die Kolben 28, 30 in eine jeweilige Anfangsstellung bewegt werden. Hierdurch können die Kolben 28, 30 beispielsweise synchronisiert werden. Auch während des Betriebs der Vorrichtung 10 können die Kolben 28, 30 durch die Steuerung 24 synchronisiert bzw. hinsichtlich ihrer Bewegung aneinander angepasst und aufeinander abgestimmt werden, so dass beispielsweise auf eine zur Synchronisation notwendige Kette oder dergleichen Umschlingungselement verzichtet werden kann. At the beginning of the operation of the device 10 are respective initial positions of the pistons 28 . 30 specified. This can be done, for example, by the electrical machines 14 . 16 in their respective engine operation, in which the cranks 46 . 50 over the rotors 54 . 58 be turned so that the pistons 28 . 30 be moved to a respective initial position. This allows the pistons 28 . 30 for example, be synchronized. Also during operation of the device 10 can the pistons 28 . 30 through the controller 24 be synchronized or adapted to each other in terms of their movement and matched to each other, so that, for example, can be dispensed with a necessary chain for synchronization or the like wrap.
Beispielsweise beginnt dann der Betrieb der Vorrichtung 10, wenn die beiden Kolben 28, 30 an die jeweiligen oberen Totpunkte OT1 und OT2 gefahren wurden. Mit anderen Worten werden die oberen Totpunkte OT1 und OT2 von den elektrischen Maschinen 14, 16 in ihrem Motorbetrieb lagegeregelt vorgegeben. Auch der Zeitpunkt, zu dem Kraftstoff bzw. das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 26 eingebracht wird, wird von der Steuerung 24 gesteuert oder geregelt vorgegeben. Dieser Zeitpunkt wird auch als Einspritzzeitpunkt bezeichnet. Auch ein Zeitpunkt, zu dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wird von der Steuerung 24 geregelt oder gesteuert vorgegeben. Dieser Zeitpunkt wird auch als Zündzeitpunkt bezeichnet. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann dabei durch die Zündkerze 34 bewirkt werden. For example, then begins the operation of the device 10 if the two pistons 28 . 30 were moved to the respective top dead centers OT1 and OT2. In other words, the top dead centers OT1 and OT2 of the electric machines 14 . 16 specified position-controlled in their engine operation. Also, the timing at which fuel or the fuel-air mixture in the cylinder 26 is introduced by the controller 24 controlled or regulated. This point in time is also referred to as injection time. Also, a time at which the fuel-air mixture is ignited, is from the controller 24 regulated or controlled given. This date is also called Ignition point called. The ignition of the fuel-air mixture can thereby through the spark plug 34 be effected.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die Vorrichtung 10 derart zu betreiben, dass eine Selbstzündung, insbesondere eine homogene Kompressionszündung, des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Zylinder 26 bewirkt wird. Auch hierbei wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zündzeitpunkt gezündet, jedoch entzündet sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch selbst und eine durch die Zündkerze 34 bewirkte Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unterbleibt. Dadurch kann beispielsweise die Zündkerze 34 entfallen. Darüber hinaus ist es denkbar, unterschiedliche Betriebsmodi der Vorrichtung 10 vorzusehen. In einem ersten der Betriebsmodi könnte vorgesehen sein, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels der Zündkerze 34 gezündet wird. In einem zweiten der Betriebsmodi könnte vorgesehen sein, dass eine mittels der Zündkerze 34 zu bewirkende Zündung unterbleibt und eine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird. In addition, it is also possible to use the device 10 operate such that a self-ignition, in particular a homogeneous compression ignition, the fuel-air mixture in the cylinder 26 is effected. Again, the fuel-air mixture is ignited at the ignition, but ignites the fuel-air mixture itself and one through the spark plug 34 caused ignition of the fuel-air mixture is omitted. As a result, for example, the spark plug 34 omitted. In addition, it is conceivable different operating modes of the device 10 provided. In a first of the operating modes could be provided that the fuel-air mixture by means of the spark plug 34 is ignited. In a second of the operating modes could be provided that one by means of the spark plug 34 ignited ignition is omitted and a self-ignition of the fuel-air mixture is effected.
Die elektrischen Maschinen 14, 16 bieten zudem die Möglichkeit, während einer durch die Zündung bewirkten Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches die Geschwindigkeit der Rotoren 54, 58 mittels der Steuerung 24 optimal zu regeln, so dass beispielsweise IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) sehr gut ausgenutzt werden können. The electrical machines 14 . 16 also offer the possibility during a combustion caused by the ignition of the fuel-air mixture, the speed of the rotors 54 . 58 by means of the controller 24 Optimal to regulate, so that, for example, IGBTs (bipolar transistors with insulated gate electrode) can be very well exploited.
Auch während des Spülens des Zylinders 26 können die elektrischen Maschinen 14, 16 im jeweiligen Motorbetrieb und über ihre jeweiligen Rotoren 54, 58 ein Geschwindigkeitsprofil der Kolben 28, 30 vorgeben. Darüber hinaus ist es möglich, während des Verdichtens des Kraftstoff-Luft-Gemisches das jeweilige Geschwindigkeitsprofil der Kolben 28, 30 über die Rotoren 54, 58 vorzugeben. Also while flushing the cylinder 26 can the electrical machines 14 . 16 in the respective engine operation and their respective rotors 54 . 58 a velocity profile of the pistons 28 . 30 pretend. In addition, it is possible during the compression of the fuel-air mixture, the respective velocity profile of the piston 28 . 30 over the rotors 54 . 58 pretend.
Die genannte Selbstzündung, insbesondere die homogene Kompressionszündung, erfolgt beispielsweise durch eine Regelung oder Steuerung der elektrischen Maschinen 14, 16 derart, dass ein zum Bewirken der Selbstzündung, insbesondere der homogenen Kompressionszündung, erforderlicher Zünddruck im Brennraum 28 durch ein Zündvolumen nach dem jeweiligen oberen Totpunkt OT1 und OT2 für die beiden Kolben 28, 30 erreicht bzw. eingestellt wird. The said autoignition, in particular the homogeneous compression ignition, takes place, for example, by regulating or controlling the electrical machines 14 . 16 such that an ignition pressure required in the combustion chamber for effecting the auto-ignition, in particular the homogeneous compression ignition 28 by an ignition volume after the respective top dead center OT1 and OT2 for the two pistons 28 . 30 is reached or set.
Mit anderen Worten ist es möglich, eine Bewegung zumindest eines der Kolben 28, 30 mittels der entsprechend zugehörigen elektrischen Maschine 14, 16 über deren Rotor 54, 58 derart zu beeinflussen, dass sich die Kolben 28, 30 im Zylinder 26 innerhalb einer Umdrehung der jeweiligen Kurbel 46, 50 zumindest zeitweise phasenversetzt bewegen. Durch diese phasenversetzte Bewegung können beispielsweise besonders vorteilhafte Druck- und Temperaturbedingungen im Brennraum 32 eingestellt werden, so dass sich ein besonders effizienter und schadstoffarmer Betrieb des Gegenkolbenmotors 12 und somit der Vorrichtung 10 insgesamt realisieren lässt. In other words, it is possible to move at least one of the pistons 28 . 30 by means of the corresponding electrical machine 14 . 16 over the rotor 54 . 58 to influence so that the piston 28 . 30 in the cylinder 26 within one revolution of each crank 46 . 50 at least temporarily out of phase move. By this phase-shifted motion, for example, particularly advantageous pressure and temperature conditions in the combustion chamber 32 be adjusted so that a particularly efficient and low-emission operation of the piston engine 12 and thus the device 10 Total realized.
Mittels der Regelung bzw. Steuerung 24 ist es beispielsweise möglich, die Kolben 28, 30 über die elektrischen Maschinen 14, 16 in der Verdichtungsphase, d.h. während der Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zumindest zeitweise zu beschleunigen und in einer Expansionsphase, d.h. wenn sich die Kolben 28, 30 beim Verbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches voneinander weg bewegen, abzubremsen. By means of regulation or control 24 For example, it is possible to use the pistons 28 . 30 about the electrical machines 14 . 16 in the compression phase, ie during the compression of the fuel-air mixture to accelerate at least temporarily and in an expansion phase, ie when the pistons 28 . 30 when burning the fuel-air mixture move away from each other, decelerate.
2 zeigt ein Diagramm 60 zur Veranschaulichung der Beeinflussung der Bewegung zumindest eines der Kolben 28, 30 mittels der entsprechenden, zugehörigen elektrischen Maschine 14, 16. Ein Verlauf 62 im Diagramm 60 veranschaulicht eine beispielsweise durch die Regelung bzw. Steuerung 24 vorgebbare, konstante Soll-Geschwindigkeit bzw. Soll-Drehzahl der jeweiligen Kurbel 46, 50 bei einer Bewegung des entsprechend zugehörigen Kolbens 28, 30 aus seinem unteren Totpunkt UT1, UT2 in seinen oberen Totpunkt OT1 und OT2. Ein Verlauf 64 veranschaulicht eine aus der konstanten Soll-Geschwindigkeit resultierende Ist-Geschwindigkeit der jeweiligen Kurbel 46, 50. 2 shows a diagram 60 to illustrate the influence of the movement of at least one of the pistons 28 . 30 by means of the corresponding, associated electrical machine 14 . 16 , A course 62 in the diagram 60 illustrates one example by the control 24 predefinable, constant setpoint speed or setpoint speed of the respective crank 46 . 50 during a movement of the corresponding associated piston 28 . 30 from its bottom dead center UT1, UT2 to its top dead center OT1 and OT2. A course 64 illustrates an actual speed of the respective crank resulting from the constant target speed 46 . 50 ,
Im Gegensatz dazu veranschaulicht ein Verlauf 66 ein durch die Regelung bzw. Steuerung 24 vorgebbares Soll-Geschwindigkeitsprofil der jeweiligen Kurbel 46, 50. Wie anhand des Verlaufs 66 zu erkennen ist, wird die Geschwindigkeit, d.h. die Drehzahl der Kurbel 46 und/oder 50 beim Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels der entsprechenden elektrischen Maschine 14, 16 abgesenkt. Ein Verlauf 68 veranschaulicht eine aus dem vorgegebenen Soll-Geschwindigkeitsprofil (Verlauf 66) resultierende Ist-Geschwindigkeit bzw. Ist-Drehzahl der Kurbel 46, 50. In contrast, a gradient illustrates 66 a through the regulation or control 24 Predefinable desired speed profile of the respective crank 46 . 50 , As based on the course 66 can be seen, the speed, ie the speed of the crank 46 and or 50 when igniting the fuel-air mixture by means of the corresponding electric machine 14 . 16 lowered. A course 68 illustrates one of the predetermined target velocity profile (history 66 ) resulting actual speed or actual speed of the crank 46 . 50 ,
Anhand des Diagramms 60 ist erkennbar, dass bei der Vorrichtung 10 im Gegensatz zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor die Drehzahl der Kurbeln 46, 50 mittels der elektrischen Maschinen 14, 16 während des gefeuerten Betriebs, d. h. während des Prozesses geregelt bzw. gesteuert werden kann. Hierbei ist es möglich, unterschiedliche Soll-Werte oder Soll-Verläufe bedarfsgerecht vorzugehen. Zur optimalen Ausnutzung der IGBTs kann die jeweilige Drehzahl beispielsweise so geregelt werden, dass ein optimales Stromprofil am Ausgang der Vorrichtung 10 entsteht. Die Vorrichtung 10 insgesamt kann somit als Generator mit einer variablen Drehzahl betrieben werden. Based on the diagram 60 it can be seen that in the device 10 unlike a conventional internal combustion engine, the speed of the cranks 46 . 50 by means of electric machines 14 . 16 during fired operation, ie, controlled during the process. In this case, it is possible to proceed with different setpoint values or setpoint curves as needed. For optimum utilization of the IGBTs, the respective rotational speed can be regulated, for example, so that an optimum current profile at the output of the device 10 arises. The device 10 Overall, thus can be operated as a generator with a variable speed.
Die genannte, durch die elektrischen Maschinen 14, 16 bewirkbare phasenversetzte bzw. winkelversetzte Bewegung der Kolben 28, 30 ist besonders gut aus 3 erkennbar. 3 zeigt ein Diagramm 70, in welches zwei Verläufe 72, 74 eingetragen sind. Der Verlauf 72 charakterisiert die Bewegung, d. h. die Phase des ersten Kolbens 28 bei seiner translatorischen Bewegung im Zylinder 26. Der Verlauf 74 charakterisiert die Bewegung, d. h. die Phase des zweiten Kolbens 30 bei seiner translatorischen Bewegung im Zylinder 26. Im Diagramm 70 ist der jeweilige untere Totpunkt der untere Totpunkt des Kolbens 28 mit UT1 und der untere Totpunkt des Kolbens 30 mit UT2 bezeichnet. Wie anhand des Diagramms 70 erkennbar ist, läuft der Kolben 30 dem Kolben 28 bei der jeweiligen Bewegung vom jeweiligen oberen Totpunkt OT1, OT2 in Richtung des jeweiligen unteren Totpunkts UT1, UT2 zunächst hinterher. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass der zweite Kolben 30 mittels der elektrischen Maschine 16 über ihren Rotor 58 kurz abgebremst wird. The said, by the electric machines 14 . 16 achievable phase-offset or angularly offset movement of the pistons 28 . 30 is especially good 3 recognizable. 3 shows a diagram 70 into which two courses 72 . 74 are registered. The history 72 characterizes the movement, ie the phase of the first piston 28 in its translatory movement in the cylinder 26 , The history 74 characterizes the movement, ie the phase of the second piston 30 in its translatory movement in the cylinder 26 , In the diagram 70 the respective bottom dead center is the bottom dead center of the piston 28 with UT1 and the bottom dead center of the piston 30 labeled UT2. Like the diagram 70 can be seen, the piston is running 30 the piston 28 in the respective movement from the respective top dead center OT1, OT2 in the direction of the respective bottom dead center UT1, UT2 initially behind. This is realized, for example, in that the second piston 30 by means of the electric machine 16 over her rotor 58 is briefly braked.
Kurz vor dem Erreichen seines unteren Totpunkts UT2 wird der zweite Kolben 30 gegenüber dem ersten Kolben 28 beschleunigt, so dass der zweite Kolben 30 gegenüber dem ersten Kolben 28 schnell aufholt. Hierdurch kann erreicht werden, dass der zweite Kolben 30 kurz nachdem der erste Kolben 28 seinen unteren Totpunkt UT1 erreicht hat ebenfalls einen unteren Totpunkt UT2 erreicht. Dabei ist es denkbar, die Beschleunigung des zweiten Kolbens 30 gegenüber dem ersten Kolben 28 derart auszuführen, dass die beiden Kolben 28, 30 ihren jeweiligen unteren Totpunkt UT1 und UT2 zumindest im Wesentlichen gleichzeitig erreichen. Shortly before reaching its bottom dead center UT2, the second piston 30 opposite the first piston 28 accelerates, leaving the second piston 30 opposite the first piston 28 quickly catching up. This can be achieved that the second piston 30 shortly after the first piston 28 reached its bottom dead center UT1 has also reached a bottom dead center UT2. It is conceivable, the acceleration of the second piston 30 opposite the first piston 28 be carried out such that the two pistons 28 . 30 reach their respective bottom dead center UT1 and UT2 at least substantially simultaneously.
Ausgehend vom jeweiligen unteren Totpunkt UT1, UT2 werden die Kolben 28, 30 dann wieder in Richtung ihres jeweiligen oberen Totpunkts OT1, OT2 bewegt. Wie anhand des Diagramms 70 erkennbar ist, erfolgt diese Bewegung in Richtung des jeweiligen oberen Totpunkts OT1, OT2 zunächst phasensynchron. Ab einer vorgebbaren Stellung jedoch fällt der zweite Kolben 30 gegenüber dem ersten Kolben 28 zurück. Dies wird beispielsweise dadurch bewirkt, dass der zweite Kolben 30 mittels der elektrischen Maschine 16 gegenüber dem ersten Kolben 28 abgebremst, d. h. verlangsamt wird. Starting from the respective bottom dead center UT1, UT2, the pistons 28 . 30 then moved back toward their respective top dead center OT1, OT2. Like the diagram 70 can be seen, this movement is initially in phase in the direction of the respective top dead center OT1, OT2. From a predetermined position, however, falls the second piston 30 opposite the first piston 28 back. This is effected, for example, by the second piston 30 by means of the electric machine 16 opposite the first piston 28 decelerated, ie slowed down.
Die Position des Kolbens 28 bzw. die Drehstellung φ1 der ersten Kurbel 46 lässt sich beispielsweise durch φ1 = ω0t beschreiben. Durch die zumindest im Vergleich zum ersten Kolben 28 phasenversetzte Bewegung des zweiten Kolbens 30 ergibt sich auch ein Phasenversatz zwischen der ersten Kurbel 46 und der zweiten Kurbel 50. Dieser Phasenversatz der Drehstellung φ2 der zweiten Kurbel 50 im Vergleich zur Drehstellung φ1 der ersten Kurbel 46 lässt sich beispielsweise durch φ1 = φ1 – ∆(φ1) beschreiben. Hierbei gelten an diesem Phasenversatz ∆ beispielsweise die Bedingungen, dass ein minimales Volumen bei einer bestimmten Winkelstellung bzw. Drehstellung erreicht wird, so dass der erste Kolben 28 seinen oberen Totpunkt OT1 zumindest überschritten hat und der zweite Kolben 30 zumindest sehr nahe an seinem oberen Totpunkt OT2 herangekommen ist. Ferner gilt die Bedingung einer Periodizität um 360 Grad Kurbelwinkel. The position of the piston 28 or the rotational position φ 1 of the first crank 46 can for example be described by φ 1 = ω 0 t. By at least compared to the first piston 28 phase-shifted movement of the second piston 30 also results in a phase offset between the first crank 46 and the second crank 50 , This phase offset of the rotational position φ 2 of the second crank 50 in comparison to the rotational position φ 1 of the first crank 46 can for example be described by φ 1 = φ 1 - Δ (φ 1 ). In this case, for example, the conditions that a minimal volume is achieved at a specific angular position or rotational position such that the first piston 28 has exceeded its top dead center OT1 at least and the second piston 30 at least very close to its top dead center OT2 approached. Furthermore, the condition of periodicity around 360 degrees crank angle applies.
4 zeigt ein Diagramm 76, in welches zwei Verläufe 78, 80 eingetragen sind. Der Verlauf 78 veranschaulicht den im Brennraum 32 herrschenden Druck bei einer Bewegung der Kolben 28, 30 in ihren jeweiligen oberen Totpunkt OT1, OT2, d.h. bei einer Kompression bzw. Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wenn sich die Kolben 28, 30 phasenversetzt bewegen. Der Verlauf 80 veranschaulicht den im Brennraum 32 herrschenden Druck bei der Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wenn sich die Kolben 28, 30 phasensynchron bewegen. 4 shows a diagram 76 into which two courses 78 . 80 are registered. The history 78 illustrates this in the combustion chamber 32 prevailing pressure during a movement of the pistons 28 . 30 in their respective top dead center OT1, OT2, ie in a compression or compression of the fuel-air mixture, when the piston 28 . 30 move out of phase. The history 80 illustrates this in the combustion chamber 32 prevailing pressure in the compression of the air-fuel mixture when the pistons 28 . 30 move in phase.
5 zeigt ein Diagramm 82, in welches ebenfalls zwei Verläufe 84, 86 eingetragen sind. Der Verlauf 84 veranschaulicht die im Brennraum 32 herrschende Temperatur beim Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wenn die Kolben 28, 30 phasenversetzt bewegt werden. Der Verlauf 86 veranschaulicht die im Brennraum 32 herrschenden Temperatur beim Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wenn die Kolben 28, 30 phasensynchron bewegt werden, d.h. wenn ein Gleichlauf der Kolben 28, 30 vorliegt. 5 shows a diagram 82 , in which also two courses 84 . 86 are registered. The history 84 illustrates those in the combustion chamber 32 prevailing temperature when compressing the air-fuel mixture when the pistons 28 . 30 be moved out of phase. The history 86 illustrates those in the combustion chamber 32 prevailing temperature when compressing the air-fuel mixture when the pistons 28 . 30 be synchronously moved, ie when a synchronization of the piston 28 . 30 is present.
Wie aus 4 und 5 erkennbar ist, kann durch den Phasenversatz, d.h. durch den Winkelversatz der Bewegung der Kolben 28, 30 gegenüber dem Gleichlauf ein schnellerer Druck- und Temperaturaufbau realisiert werden. Wird beispielsweise der erste Kolben 28 zu einem vorgebbaren Zeitpunkt gegenüber dem zweiten Kolben 30 verzögert, so wird der Druckaufbau noch steiler. Damit kann erreicht werden, dass das zündfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch ohne Zündkerze durch Selbstzündung gezündet wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dabei vorher in den Zylinder 26 eingebracht, so dass es sich zumindest im Wesentlichen homogen verteilen kann. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dabei nach dem oberen Totpunkt durch eine optimale Bewegungsführung der Kolben 28, 30 in kürzester Zeit durch Druckerhöhung (Volumenverminderung) zur Zündtemperatur gebracht. Durch die Vorgabe der Bewegungsprofile der Kolben 28, 30 kann der aus 4 erkennbare Zündwinkel 88 optimal eingestellt werden, so dass Fehlzündungen vermieden werden. Der Zündwinkel 88 bezeichnet dabei die jeweilige Drehstellung der Kurbel 46 bzw. 50, zu dem die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Durch das bedarfsgerechte Einstellen der Geschwindigkeit und Lage der Kolben 28, 30 im Zylinder 26 kann der Zündwinkel definiert und bedarfsgerecht eingestellt werden, so dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Vorrichtung 10 realisieren lässt. How out 4 and 5 can be seen, by the phase offset, ie by the angular displacement of the movement of the piston 28 . 30 Compared to the synchronization, a faster pressure and temperature build-up can be realized. For example, the first piston 28 at a predetermined time relative to the second piston 30 delayed, the pressure build-up becomes even steeper. This can be achieved that the ignitable fuel-air mixture is ignited by spark ignition by auto-ignition. The fuel-air mixture is previously in the cylinder 26 introduced so that it can be distributed at least substantially homogeneously. The fuel-air mixture is doing after top dead center by an optimal motion control of the piston 28 . 30 brought in shortest time by pressure increase (volume reduction) to the ignition temperature. By specifying the motion profiles of the pistons 28 . 30 can the out 4 recognizable ignition angle 88 be set optimally so that misfires are avoided. The ignition angle 88 designates the respective rotational position of the crank 46 respectively. 50 to which the ignition of the fuel-air mixture takes place. By adjusting the speed and position of the pistons as needed 28 . 30 in the cylinder 26 the ignition angle can be defined and adjusted as needed, so that a particularly efficient operation of the device 10 can be realized.
Dadurch sind höhere Leistungsgewichte darstellbar, da keine zusätzlichen Schwungmassen erforderlich sind. Die Energie wird in Kondensatoren der Umrichter 18, 20 und falls notwendig in Kondensatormodulen des Gleichstrom-Zwischenkreises 22 und nicht mehr in Schwungrädern gespeichert. Beim Gegenkolbenmotor 12 wird vorteilhafterweise Aktio und Reaktio in Nutzleistung umgesetzt. Dadurch ist der Aufbau des Gegenkolbenmotors 12 besonders einfach. Als Zylinder 26 kann dabei ein einfaches Rohr verwendet werden. Zudem sind die Massenkräfte gegenüber konventionellen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen wesentlich kleiner, so dass ein besonders leichtes Gehäuse des Gegenkolbenmotors 12 realisiert werden kann. As a result, higher power weights can be displayed because no additional flywheel masses are required. The energy is used in capacitors of the inverter 18 . 20 and if necessary in capacitor modules of the DC link 22 and no longer stored in flywheels. In the opposed piston engine 12 Advantageously Aktio and Reaktio be converted into useful power. This is the structure of the piston engine 12 especially easy. As a cylinder 26 You can use a simple tube. In addition, the mass forces compared to conventional reciprocating internal combustion engines are much smaller, so that a particularly lightweight housing of the piston engine 12 can be realized.
Durch Vorgabe des jeweiligen Geschwindigkeitsprofils während des Spülens, Befüllens und Verdichtens kann auch der thermische Wirkungsgrad verbessert werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Gegenkolbenmotor 12 mit unterschiedlichen Verbrennungshüben, die beispielsweise für unterschiedliche Kraftstoffe erforderlich sind, betrieben werden. Mit anderen Worten ist durch das Vorgeben der Geschwindigkeits- und/oder Lageprofile ein einstellbares, variables Verdichtungsverhältnis darstellbar. Ferner ist es dadurch möglich, eine homogene Verbrennung mit Selbstzündung zu realisieren. Darüber hinaus kann vorteilhafter Weise erreicht werden, den Gegenkolbenmotor 12 mit Dieselkraftstoff, Benzinkraftstoff oder Diesel-Benzin-Gemischen zu betreiben. By specifying the respective velocity profile during rinsing, filling and compacting, the thermal efficiency can also be improved. In addition, it is possible to use the piston engine 12 operated with different combustion strokes, which are required for different fuels, for example. In other words, by setting the speed and / or position profiles an adjustable, variable compression ratio can be displayed. Furthermore, it is thereby possible to realize a homogeneous combustion with auto-ignition. In addition, can be achieved advantageously, the opposed piston engine 12 to operate with diesel fuel, gasoline fuel or diesel-petrol mixtures.
Im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben der Vorrichtung 10 ist beispielsweise auch eine sogenannte Überschneidung der Kolben 28, 30 realisierbar. Der erste Kolben 28 ist beispielsweise in einem ersten Bewegungsbereich bewegbar. Dieser erste Bewegungsbereich erstreckt sich vom ersten oberen Totpunkt OT1 bis zum ersten unteren Totpunkt UT1. Der zweite Kolben 30 ist beispielsweise in einem zweiten Bewegungsbereich bewegbar. Dieser zweite Bewegungsbereich erstreckt sich vom zweiten oberen Totpunkt OT2 bis zum zweiten unteren Totpunkt UT2. Bei der Überschneidung ist es nun vorgesehen, dass sich die Bewegungsbereiche gegenseitig zumindest teilweise überlappen. In the context of the method for operating the device 10 is, for example, a so-called overlap of the pistons 28 . 30 realizable. The first piston 28 is movable, for example, in a first range of motion. This first movement range extends from the first top dead center OT1 to the first bottom dead center UT1. The second piston 30 is movable, for example, in a second range of motion. This second range of motion extends from the second top dead center OT2 to the second bottom dead center UT2. When overlapping, it is now provided that the movement areas overlap each other at least partially.
Die Kolben 28, 30 werden also derart bewegt, dass sich der erste Kolben 28 zumindest teilweise in den zweiten Bewegungsbereich hineinbewegt und/oder dass sich der zweite Kolben 30 zumindest teilweise in den ersten Bewegungsbereich hineinbewegt. Diese Bewegung erfolgt derart, dass eine Kollision der Kolben 28, 30 vermieden wird. Da die jeweiligen Bewegungen der Kolben beeinflussbar sind, ist es möglich, den Abstand der Kolben 28, 30 zueinander, das heißt das Hubvolumen des Gegenkolbenmotors 12 zu variieren und gegebenenfalls sogar bis auf 0 zu reduzieren. Da die Kolben 28, 30 relativ zueinander bewegbar sind, kann der Abstand bzw. das Hubvolumen auch im Rahmen der Überschneidung der Kolben 28, 30 variiert, das heißt verändert werden, ohne dass es zu einer gegenseitigen Kollision der Kolben 28, 30 kommt. The pistons 28 . 30 are thus moved so that the first piston 28 at least partially moved into the second range of motion and / or that the second piston 30 at least partially moved into the first range of motion. This movement takes place in such a way that a collision of the pistons 28 . 30 is avoided. Since the respective movements of the piston can be influenced, it is possible to control the distance between the pistons 28 . 30 to each other, that is the stroke volume of the piston engine 12 to vary and possibly even reduce to 0. Because the pistons 28 . 30 can be moved relative to each other, the distance or the displacement also in the context of overlapping the piston 28 . 30 varies, that is to be changed, without causing a collision of the pistons 28 . 30 comes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
DE 102011087790 A1 [0002] DE 102011087790 A1 [0002]
