WO2015039829A1

WO2015039829A1 - Verfahren zum betreiben einer vorrichtung mit einem gegenkolbenmotor und zwei elektrischen maschinen

Info

Publication number: WO2015039829A1
Application number: PCT/EP2014/067826
Authority: WO
Inventors: Jens Hamann; Andreas KLOTZEK; Philipp Rost; Dietmar Stoiber
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2015-03-26
Also published as: DE102013218781A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) umfassend: - wenigstens einen Gegenkolbenmotor (12) mit zumindest zwei in einem gemeinsamen Zylinder (26) angeordneten und aufeinander zubewegbaren und voneinander wegbewegbaren Kolben (28, 30), die über ein jeweiliges Pleuel (44, 48) gelenkig mit einer jeweiligen, um eine jeweilige Drehachse drehbaren Kurbel (46, 50) gekoppelt sind, - wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (14) mit einem ersten Rotor (54), mittels welchem eine der Kurbeln (46, 50) antreibbar ist, und - wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (16) mit einem zweiten Rotor (58), mittels welchem die andere Kurbel (50) antreibbar ist, wobei eine Bewegung zumindest eines der Kolben (28, 30) mittels der zugehörigen elektrischen Maschine (14, 16) über deren Rotor (54,58) beeinflusst wird und wobei die Bewegung derart beeinflusst wird, dass sich die Kolben (28,30) im Zylinder (26) zumindest zeitweise phasenversetzt bewegen.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Gegenkolbenmotor und zwei elektrischen Maschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solches Verfahren ist der DE 10 2011 087 790 AI als be- kannt 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 gemein- samen 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.

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 .

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. Im Zuge des Verfahrens wird eine Bewegung zumindest eines der Kolben mittels der entsprechenden, zugehörigen elektrischen Maschine über deren Rotor beeinflusst. 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. 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. 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.

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 le- gen 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 Prozent- satz 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.

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 homogenisie- ren. 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. 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 .

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 Ge- wicht und die Kosten der Vorrichtung besonders gering gehalten werden können. Ferner ist dadurch ein besonders effizienter und effektiver Betrieb der Vorrichtung realisierbar.

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.

Mittels einer solchen homogenen Kompressionszündung kann der Schadstoffausstoß besonders gering gehalten werden. Durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben ist es möglich, Tempera- tur- 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. Fehl- Zündungen, die beispielsweise eine sehr hohe Belastung für den Gegenkolbenmotor darstellen und gegebenenfalls zu Schäden führen könnten, können vermieden werden. 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 .

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.

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 Ver- dichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisierbar ist.

Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, bei einem jeweiligen Ansaughubes der Kolben in den Zylinder einge- bracht, 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 Homogeni- sierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches realisiert werden. Daraus resultiert wiederum eine besonders effiziente und Schadstoffarme Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. 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 .

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vor- stehend 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 Kombi - nationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

FIG 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;

FIG 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der

Vorrichtung ;

FIG 3 ein weiteres Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vorrichtung;

FIG 4 ein Diagramm mit Druckverläufen, die den Druck in einem Zylinder des Gegenkolbenmotors über der Zeit charakterisieren; und

FIG 5 ein Diagramm mit Temperaturverläufen, die die Temperatur in dem Zylinder über der Zeit charakterisieren . FIG 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.

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. Der Gegenkolbenmotor 12 ist eine Hubkolben-Verbrennungskraft- maschine 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 voneinan- der 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. 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.

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.

Alternativ dazu ist es denkbar, dass das Kraftstoff-Luft- Gemisch erst direkt im Zylinder 26, d.h. im Brennraum 32 er- zeugt 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 FIG 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, werden auch die Zündkerze 34 und die Einspritzeinrichtung 36 von der Steuerung 24 gesteuert bzw. geregelt. 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 FIG 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 .

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 FIG 1 mit φι bezeichnet , wobei die Drehstellung der Kurbel 50 und somit der zweiten Kurbelwelle um ihre Drehachse in FIG 1 mit φ₂ bezeichnet ist. Üblicherweise wird die jewei- lige 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.

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 FIG 1 sind die jeweiligen Drehachsen der elektri- sehen 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 Kurbel - welle ist koaxial zum zweiten Rotor 58 angeordnet.

Als elektrische Maschinen 14, 16 können anstelle von Drehstrommaschinen beispielsweise auch Ein-Phasen-Wechselstrom- maschinen oder andere elektrische Maschine eingesetzt werden.

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 Zwischen- kreiskondensator, welcher in FIG 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 0T1 und 0T2 drücken, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 32 komprimiert, d. h. verdichtet wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen bie- tet 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 Ma- schine 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. 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 Umschlin- gungselement verzichtet werden kann. Beispielsweise beginnt dann der Betrieb der Vorrichtung 10, wenn die beiden Kolben 28, 30 an die jeweiligen oberen Totpunkte OTl und 0T2 gefahren wurden. Mit anderen Worten werden die oberen Totpunkte OTl und 0T2 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. 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 entzün- det 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, unter- schiedliche 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.

Die elektrischen Maschinen 14, 16 bieten zudem die Möglich- keit, 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.

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, wäh- rend des Verdichtens des Kraftstoff-Luft-Gemisches das jeweilige Geschwindigkeitsprofil der Kolben 28, 30 über die Rotoren 54, 58 vorzugeben.

Die genannte Selbstzündung, insbesondere die homogene Komp- ressionszündung, 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 Tot- punkt 0T1 und 0T2 für die beiden Kolben 28, 30 erreicht bzw. eingestellt wird.

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 phasenver- setzte 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.

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. FIG 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 vorgeb- bare, 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 0T1 und 0T2. Ein Verlauf 64 veranschaulicht eine aus der konstanten Soll -Geschwindigkeit resultierende Ist-Geschwindigkeit der jeweiligen Kurbel 46, 50.

Im Gegensatz dazu veranschaulicht ein Verlauf 66 ein durch die Regelung bzw. Steuerung 24 vorgebbares Soll -Geschwindig- keitsprofil 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 ei- ne aus dem vorgegebenen Soll -Geschwindigkeitsprofil (Verlauf 66) resultierende Ist-Geschwindigkeit bzw. Ist-Drehzahl der Kurbel 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 Vor- richtung 10 entsteht. Die Vorrichtung 10 insgesamt kann somit als Generator mit einer variablen Drehzahl betrieben werden.

Die genannte, durch die elektrischen Maschinen 14, 16

bewirkbare phasenversetzte bzw. winkelversetzte Bewegung der Kolben 28, 30 ist besonders gut aus FIG 3 erkennbar. FIG 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 UTl 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 0T1, 0T2 in Richtung des jeweiligen unteren Totpunkts UTl, 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.

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 UTl 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.

Ausgehend vom jeweiligen unteren Totpunkt UT1, UT2 werden die Kolben 28, 30 dann wieder in Richtung ihres jeweiligen oberen Totpunkts 0T1, OT2 bewegt. Wie anhand des Diagramms 70 erkennbar ist, erfolgt diese Bewegung in Richtung des jeweili- gen oberen Totpunkts 0T1, 0T2 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 abge- bremst, d. h. verlangsamt wird.

Die Position des Kolbens 28 bzw. die Drehstellung φ_χ der ersten Kurbel 46 lässt sich beispielsweise durch

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 φ_χ der ersten Kurbel 46 lässt sich beispielsweise durch φι=φι-Δ(φι) beschreiben. Hierbei gelten an diesem Phasenversatz Δ beispielsweise die Bedingungen, dass ein minimales Volumen bei einer bestimmten Winkelstellung bzw. Drehstellung erreicht wird, so dass der erste Kolben 28 seinen oberen Totpunkt 0T1 zumindest überschritten hat und der zweite Kolben 30 zumin- dest sehr nahe an seinem oberen Totpunkt 0T2 herangekommen ist. Ferner gilt die Bedingung einer Periodizität um 360 Grad Kurbelwinkel .

FIG 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 0T1, 0T2 , 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 bewe- gen .

FIG 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.

Wie aus FIG 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 FIG 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.

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-Verbrennungskraft- maschinen wesentlich kleiner, so dass ein besonders leichtes Gehäuse des Gegenkolbenmotors 12 realisiert werden kann.

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 Ver- brennungshüben, 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. 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 0T1 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 0T2 bis zum zweiten unteren Totpunkt UT2. Bei der Überschneidung ist es nun vorgesehen, dass sich die Bewegungsbereiche gegenseitig zumindest teilweise überlappen. 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 zu- einander 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.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) umfassend:

- wenigstens einen Gegenkolbenmotor (12) mit zumindest zwei in einem gemeinsamen Zylinder (26) angeordneten und aufeinander zubewegbaren und voneinander wegbewegbaren Kolben (28,30), die über ein jeweiliges Pleuel (44,48) gelenkig mit einer jeweiligen, um eine jeweilige Drehachse drehbaren Kurbel (46,50) gekoppelt sind,

- wenigstens einer ersten elektrischen Maschine (14) mit einem ersten Rotor (54), mittels welchem eine der Kurbeln (46,50) antreibbar ist, und

- wenigstens einer zweiten elektrischen Maschine (16) mit einem zweiten Rotor (58) , mittels welchem die andere Kur- bei (50) antreibbar ist,

wobei eine Bewegung zumindest eines der Kolben (28,30) mittels der zugehörigen elektrischen Maschine (14,16) über deren Rotor (54, 58) beeinflusst wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewegung derart beein- flusst wird, dass sich die Kolben (28,30) im Zylinder (26) zumindest zeitweise phasenversetzt bewegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben (28,30) eine Selbstzündung eines in dem Zylinder (26) aufgenommenen Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch das phasenversetzte Bewegen der Kolben (28,30) eine homogene Kompressionszündung des in dem Zylinder (26) aufgenommenen Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Bewirken der zumindest zweitweise phasenversetzten Bewegung der Kolben (28,30) einer der Kolben (28,30) gegenüber dem anderen Kolben (28, 30) mittels des zugehörigen Rotors (54,58) zumindest zeitweise abgebremst wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 , d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass nach dem Abbremsen der eine Kolben

(28,30) gegenüber dem anderen Kolben (28,30) mittels des zugehörigen Rotors (54,58) zeitweise beschleunigt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bewegung derart beeinflusst wird, dass die Kolben (28,30) gleichzeitig ihren jeweiligen unteren Totpunkt (UT1,UT2) erreichen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Kraftstoff bei einem jeweiligen Ansaughub der Kolben (28,30) in den Zylinder eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt, wird.

8. Vorrichtung, welche zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.