AT512624A2

AT512624A2 - Freikolben Lineargenerator mit starker elektrisch-mechanischer Kopplung

Info

Publication number: AT512624A2
Application number: ATA286/2012A
Authority: AT
Inventors: Andrej Dipl Ing Golubkov
Original assignee: Kompetenzzentrum Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgmbh
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-15
Also published as: AT512624A3

Abstract

Ein Lineargenerator für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsraum (3) zwischen zwei einander gegenläufigen Kolben (2a, 2b) in einem Zylinder (1). Die Kolben (2a, 2b) tragen an ihrer Peripherie Permanentmagnete (8) und bewegen sich innerhalb einer Spulenanordnung mit Wicklungskörpern (9a, 9b) hin- und her. Der Verbrennungsraum (3) ist mit einer Einspritzdüse (7), einer Zündkerze (6) einem elektrisch angesteuerten Einlassventil (4) und einem elektrisch angesteuerten Auslassventil (5) ausgestattet. Der Aus- und Einlasstakt kann, zwecks Temperaturregelung, durch zeitliche Pausen getrennt werden. Die Spulen dieser Spulenanordnung werden mittels einer Regeleinrichtung (14) unter Zuhilfenahme von Positionssensoren (10a, 10b), oder statt diesen mit einer weiteren Recheneinheit die aus der Spulenanordnung die Kolbenposition ermittelt, individuell angesteuert. Die Polteilung der Spulenanordnung und die der Kolbenpole sind, zwecks Geräuschminderung, unterschiedlich ausgeführt. Zur Entlastung des Umrichters (11) sind im Bereich der äußeren Umkehrpunkte der Kolben Luftfedern (15a, 15b) vorgesehen, welche die kinetische Energie der Kolben (2a, 2b) bei der Bewegung nach innen zurück liefern.

Description

Freikolben Lineargenerator mit starker elektrisch-mechanischer

Kopplung

Hintergrund der Erfindung

Im Zuge des steigenden Bedarfs an Elektromobilität sind neue Technologien zur mobilen Stromerzeugung erforderlich. Neben einem schadstoffarmen Betrieb des Generators ist dabei ist vor allem auf Effizienz {d.h. hoher Wirkungsgrad) und Komfort (d.h. möglichst geringe Geräuschentwicklung und Vibrationen) zu achten. Der Generator kann auf die durchschnittliche Leistung und nicht auf die Maximalleistung eines Fahryzklus ausgelegt werden. Belastungsspitzen in Beschleunigungsphasen werden vom Batteriesystem getragen. Die Anforderungen an einen solchen mobilen Generator - oft auch Range Extender genannt - unterscheiden sich daher grundlegend von denen an eine konventionelle Verbrennungskraftmaschine im automotiven Bereich.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Freikolbenmotor mit einem Zylinder und zwei gegenläufigen Kolben, der als vibrationsarmer Generator eingesetzt werden kann. Die Brennkammer befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Kolben. Durch die gegenläufige Bewegung der Kolben ist ein vibrationsfreier Betrieb gewährleistet. —Der Motor—ist als Lineargenerator eusgeführt^-tn—beiden -Kolben—sind ringförmige Permanentmagnete integriert. Die Kolben interagieren elektromagentisch mit in den Zylinder eingebauten Spulen. Aus elektrischer Sicht arbeitet der Motor wie zwei permanent erregte Synchronmaschinen (PSM) in linearer Anordnung. Dabei entspricht ein Kolben dem Rotor einer PSM und der Zylinder dem Stator einer PSM. Der Lineargenerator arbeitet im vier Quadranten-Betrieb und wird übereinen Umrichter geregelt.

Der Zweck der Erfindung: günstiger, effizienter und vibrationsarmer Generator mit möglichst wenig bewegten Teilen als Range Extender in einem Elektrofahrzeug.

Stand der Technik

In der US Anmeldung (WO2001045977 - A DEVICE INCLUDING A COMBUSTION ENGINE, A USE OF THE DEVICE, AND A VEHICLE) ist ein Freikolbenmotor als Lineargenerator ausgeführt. Er besitzt zwei Brennkammern an den Enden des Zylinders. Somit arbeitet der

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Motor mit starken Momenten der ersten Ordnung und ein vibrationsarmer Betrieb ist nicht möglich.

Es wird angemerkt, dass mehrere Zylinder als Module mechanisch miteinander verbunden werden können. Bei guter Synchronisation könnten die Momente ausgeglichen werden.

In WO2001045977 beschriebener Motor arbeitet ebenfalls im vier Quadranten-Betrieb. Somit ist eine beliebige dynamische Positionierung des Kolbens möglich. Der Motor kann so mit variabler Verdichtung betrieben werden. Ein Positionssensor liefert das Eingangssignal für die digitale Regelung. Per Wechselrichter ist am Ausgang der Regelung vorgesehen und befindet sich zwischen Batterie und Generator. Als Betriebsarten werden Otto-Motor, Diesel-Motor, Stiriing Motor, zwei Takt und vier Takt genannt. Es wird der HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) modus erwähnt.

In Abgrenzung zu W02001045977 wird in vorliegender Erfindung eine Anordnung beschrieben mit einem Zylinder und zwei Kolben mit der Brennkammer zwischen den Kolben. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind Laufruhe und stark reduzierte Momente sowie eine Minimierung der mechanischen Bauteile. Die Windungen in „Stator“ oder Magnete im Kolben sind in vorliegender Erfindung zueinander leicht deckungsungleich ausgeführt, um die Geräuschentwickfung zu minimieren.

In W02004/0250982004 ist ebenfalls ein Freikolbenmotor geoffenbart. Es wird darin ein sogenannter „intermittent mode“ Betrieb erklärt. Im „intermittent mode—werden bei geringem Leistungsbedarf kurze Pausen zwischen den Zyklen des Motors eingelegt.

Um Momente erster Ordnung auszugleichen wird vorgeschlagen, zwei Kolbenpaare gegenphasig zu betreiben und die Einhaltung der Gegenphasigkeit elektrisch mit zwei entsprechend programmierten Umrichtern zu gewährleisten. In der W02004/0250982004 wird der Freikolbenmotor mit einem Kolbenpaar erwähnt, es handelt sich aber um die klassische Anordnung mit zwei Brennkammern und einer starren mechanischen Verbindung zwischen den beiden Kolben.

Vorliegende Erfindung grenzt sich zu der Vorrichtung in W02004/0250982004 dadurch ab, dass die Erfindung als Zweikolbenmotor mit einer Brennkammer ohne mechanische Verbindung zwischen den Kolben ausgeführt ist Im Gegensatz zum „intermittent mode“ mit Pausen zwischen den Zyklen gibt es in der vorliegen Erfindung weitere Freiheitsgrade: da es nur eine Brennkammer gibt, ist es nicht nötig die Arbeitstakte zweier Brennkammern aufeinander zeitlich abzustimmen. Die einzelnen Arbeitstakte können beliebig lange dauern bzw. es können zwischen den Takten beliebig lange Pausen gemacht werden.

NACHGEREICHT “2

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In vorliegender Erfindung ist der Freikolbenmotor als Zylinder 1 mit zwei gegenläufigen Kolben 2a, 2b ausgeführt. Die Brennkammer 3 befindet sich in der Mitte zwischen den zwei Kolben 2a und 2b. Die Brennkammer 3 besitzt elektrisch gesteuerte Einlass 4 und Auslassventile 5 sowie optional eine Zündkerze 6 und optional eine Einspritzdüse 7. In beide Kolben 2a und 2b sind Permanentmagnete 8 integriert, weiche mit den Wicklungskörpern 9a und 9b im Zylinder 1 elektromechanisch interagieren. Die magnetischen Pole in der Wicklungskörpem 9a und 9b können geometrisch leicht deckungsungleich zu den magnetischen Polen in den Kolben 2a und 2b angeordent werden um die Geräuschentwicklung zu minimieren. Der Motor besitzt Sensoren 10a und 10b zur genauen Positionsbestimmung der Kolben 2a und 2b. Der Umrichter 11 kann die Wicklungskörper 9a und 9b getrennt ansteuem und dadurch etwaige Asynchronitäten zwischen den zwei Kolben 2a und 2b ausgleichen. Mit der elektrisch-mechanischen Kopplung wird (ähnlich zu einer Synchronmaschine) die mechanische Energie der Kolben 2a und 2b in elektrische Energie umgewandelt und steht dem optionalen System Akkumulator 12 und dem Antriebsstrang 13 des Fahrzeugs zur Verfügung, Auch weitere mobile Anwendungen für Stromerzeugung - wie etwa für Kühl- und Notstromaggregate - können mit vorliegender Erfindung betrieben werden. “Alternativ zu den Positionssensoren 10a und 10b kann die-Bestimmung-der Positionen der Kolben 2a und 2b auch aus der Spulenantwort gewonnen werden (analog zu zum Stand der Technik gehörenden Verfahren von Synchronmaschinen).

Optional können Luftfedern 15a und 15b verbaut werden, um im Arbeitstakt einen Teil der Expansionsenergie zu speichern und im Auslastakt wieder abzugeben, Dadurch kann der Umrichter 11 auf eine kleinere Leistung ausgelegt werden.

Betriebsbeispiel des vorliegenden Freikolbenmotors

Ansaugtakt;

Das Einlassventil 4 wird geöffnet, die Kolben 2a und 2b werden elektromechanisch nach außen verschoben um Luft oder Gasgemisch anzusaugen. Die Dauer des Ansaugtaktes kann beliebig variiert werden. Idelaerweise wird relativ langsam angesaugt um Strömungsverluste an den Ventilen 4 zu minimieren. - 3~

nachgereichtJ

Kompressionstakt:

Das Einlassventil 4 wird geschlossen. Die Kolben 2a und 2b werden elektromechanisch nach innen beschleunigt und das Gemisch wird komprimiert. Optional wird Treibstoff über das Einlassventil 4 hinzugefügt. Die Kompression wird durch den Umrichter 11 geregelt und kann für die gewünschte Betriebsart geregelt werden.

Arbeitstakt:

Das Gemisch entzündet sich (oder wird optional mit der Zündkeize 6 gezündet) und die Kolben 2a und 2b werden durch die heißen Gase nach außen gedrückt. Die Expansionsenergie wird durch den Umrichter 11 in elektrische Energie umgewandelt.

Ausstoßtakt:

Das Auslassventil 5 wird geöffnet und die Kolben 2a und 2b werden elektromechanisch zur Mitte bewegt. Das Abgas wird ausgestoßen. Wie der Ansaugtakt kann auch Ausstoßtakt langsam durchgeführt werden um Strömungsverluste zu minimieren.

Als besondere Vorteile gegenüber konventionellen Freikolbenmotoren können genannt werden: -------· —Minimierung-der-beweglichen Teile^eswircLnur-eine BrennkammermiteinemEinlass und einem Auslassventil benötigt. • Durch die gegenläufigen Kolben werden die Vibrationen minimiert. • Die Ventile können mit kleinem Querschnitt ausgeführt werden, da der die Zeitdauer der Ansaugtaktes und des Ausstoßtaktes relativ lang gewählt werden kann. • Der Motor unterliegt nur wenigen Nebenbedingungen. Die Ventilsteuerung sowie der Positions- und Geschwindigkeitsverlauf der Kolben kann in sehr weiten Bereichen geregelt und auf optimalen Betrieb eingestellt werden. Die Voraussetzung ist ein leistungsstarker Umrichter und eine guter Regelungsalgorithmus. • Um Verluste zu minimieren können der Kompressions- und Arbeitstakt schnell, hingegen der Ansaug- und Ausstoßtakt langsam gefahren werden. • Je nach Leistungsbedarf kann der Motor nach dem Ausstoßtakt beliebig lange pausieren (Möglichkeit einer Temperaturregelung). nachgereicht - 4-

Claims

2 ·« ·♦ + · ···« • · * * * ·♦· · • · · · · · · · · • · · » « t · · · «· «· **·« *· ♦ · Ansprüche 1. Vorrichtung eines Freikolbenmotor in Gegenkolbenbauweise als Lineargenerator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet dass in einem Verbrennungsraum 3 zwei gegenläufigen Kolben 2a und 2b mit Permanentmagneten 8 ausgestattet sind, diese gegenläufigen Kolben 2a und 2b sich innerhalb einer Spulenanordnung mit Wicklungskörpern 9a und 9b bewegen, welche durch eine Reglereinrichtung 14 aufgrund der durch Positionssensoren 10a und 10b erfassten Position der Kolben 2a und 2b individuell angesteuert werden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optional eine Einspritzdüse 7 und eine Zündkerze 6 für einen nicht selbstzündenden Betrieb verwendet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zu den Positionssensoren 10a und 10b eine weitere Recheneinheit 14 implementiert ist, welche die Positionen der Kolben 2a und 2b aus der Spulenantwort berechnet.
4. Verfahren zum Betrieb eines Freikolbenmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Auslasstakt und der Einlasstakt durch Pausen getrennt sind um damit eine Temperaturregelung zu ermöglichen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optional die Pole in den Kolben 2a und 2b leicht deckungsungieich zu den Polen in den Wicklungen 9a und 9b ausgeführt werden können, um die Geräuschentwicklung im Betrieb zu minimieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optional zwei Luftfedern 15a und 15b verbaut werden, um Energie bei Kolbenbewegung nach außen aufzunehmen und um bei Kolbenbewegung nach innen wieder abzugeben, und dadurch den Umrichter 11 zu entlasten. NACHGEREICHT