Verbrennungskraftmaschine mit Lineargenerator und Rückholfe ^¬ der

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftma ^¬ schine,

- wobei die Verbrennungskraftmaschine einen ersten Zylinder aufweist,

- wobei in dem ersten Zylinder ein erster Kolben der Verbrennungskraftmaschine linear geführt ist, so dass der erste Kolben in dem ersten Zylinder zwischen einem ersten oberen Totpunkt und einem ersten unteren Totpunkt oszilliert,

- wobei eine erste Stirnfläche des ersten Kolbens einen ers- ten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einseitig be ^¬ grenzt .

Derartige Verbrennungskraftmaschinen sind allgemein bekannt. Insbesondere arbeitet jeder übliche Automotor nach diesem Prinzip.

Bei einer üblichen Verbrennungskraftmaschine wird die Linear ^¬ bewegung des Kolbens mittels einer Kurbelwelle in eine rota ^¬ torische Bewegung umgewandelt. Es ist jedoch ebenfalls be- reits bekannt, die Linearbewegung des Kolbens direkt zu nut ^¬ zen, beispielsweise zur Erzeugung elektrischer Energie. Rein beispielhaft wird auf die US 2 900 592 A oder auf den Eintrag „Freikolbenmaschine" in der deutschen Wikipedia (Ausdruck vom 02. November 2012) verwiesen.

Die Verwendung einer Freikolbenmaschine zur Erzeugung elekt ^¬ rischer Energie bietet aufgrund des Umstands, dass eine Um ^¬ setzung der Linearbewegung des Kolbens in eine rotatorische Bewegung entfällt, das Potenzial eines einfachen Aufbaus und eines guten Wirkungsgrades. Dem stehen als Nachteile gegen ^¬ über, dass die Bewegung des Kolbens mittels einer aufwändigen Regelung stabilisiert werden muss und dass die extrem hohen Beschleunigungen des Kolbens den Verbrennungsvorgang beim Arbeitshub negativ beeinflussen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass sie kompakt aufgebaut ist, zuver ^¬ lässig und mit hohem Wirkungsgrad arbeitet und auf einfache Weise geregelt betreibbar ist. Die Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun ^¬ gen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine sind Ge ^¬ genstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10. Erfindungsgemäß wird eine Verbrennungskraftmaschine der ein ^¬ gangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

- dass auf einer Mantelfläche des ersten Kolbens der Läufer einer ersten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass auf einer Mantelfläche des ersten Zylinders der Stator der ersten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass der Stator der ersten elektrischen Maschine mit dem Läufer der ersten elektrischen Maschine elektrisch zusammenwirkt,

- dass der Stator der ersten elektrischen Maschine zur bidi- rektionalen Übertragung elektrischer Energie mit einer ersten Umrichtereinheit verbunden ist und

- dass eine zweite Stirnfläche des ersten Kolbens mittels ei ^¬ ner ersten Federeinrichtung auf den ersten Brennraum zu mit einer ersten Federkraft beaufschlagt ist.

Aufgrund der Anordnung des Läufers und des Stators der ersten elektrischen Maschine unmittelbar auf den Mantelflächen des ersten Kolbens bzw. des ersten Zylinders kann die Verbrennungskraftmaschine sehr kompakt gestaltet werden. Die bidi- rektionale Übertragung elektrischer Energie zwischen dem Stator der ersten elektrischen Maschine und der ersten Umrichtereinheit ermöglicht auf einfache Weise eine definierte und optimierte Steuerung der Bewegung des ersten Kolbens. Auf- grund der Beaufschlagung der zweiten Stirnfläche des ersten Kolbens mit der ersten Federkraft können Belastungsspitzen der elektrischen Komponenten der Verbrennungskraftmaschine minimiert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die erste Federeinrichtung eine nicht variierbare und/oder eine variierbare Fe ^¬ dereinrichtung umfassen. Im Falle des Vorhandenseins sowohl der nicht variierbaren als auch der variierbaren Federein- richtung können die beiden Federeinrichtungen alternativ nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein.

Im einfachsten Fall weist die Verbrennungskraftmaschine außer dem ersten Zylinder keinen weiteren Zylinder und außer dem ersten Kolben keinen weiteren Kolben auf. In diesem Fall arbeitet der erste Kolben in aller Regel gemäß dem Zweitakt ^¬ prinzip .

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ver- brennungskraftmaschine ist vorgesehen,

- dass in dem ersten Zylinder ein zweiter Kolben der Verbrennungskraftmaschine linear geführt ist, so dass der zweite Kolben in dem ersten Zylinder zwischen einem zweiten oberen Totpunkt und einem zweiten unteren Totpunkt oszilliert, - dass eine erste Stirnfläche des zweiten Kolbens den ersten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ebenfalls einseitig begrenzt,

- dass auf einer Mantelfläche des zweiten Kolbens der Läufer einer zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass auf der Mantelfläche des ersten Zylinders der Stator der zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass der Stator der zweiten elektrischen Maschine mit dem Läufer der zweiten elektrischen Maschine elektrisch zusammenwirkt,

- dass der Stator der zweiten elektrischen Maschine zur bidirektionalen Übertragung elektrischer Energie mit einer zweiten Umrichtereinheit verbunden ist und - dass eine zweite Stirnfläche des zweiten Kolbens mittels einer zweiten Federeinrichtung auf den ersten Brennraum zu mit einer zweiten Federkraft beaufschlagt ist. Diese Ausgestaltung bietet verschiedene Variationsmöglichkei ^¬ ten .

So ist es bei dieser Ausgestaltung beispielsweise möglich, dass die erste Federeinrichtung und die zweite Federeinrich- tung voneinander verschiedene Federcharakteristiken aufweisen .

Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz voneinander verschiedene Federcharakteristiken ist es möglich, dass die erste Um- richtereinheit und die zweite Umrichtereinheit von einer den Umrichtereinheiten gemeinsamen Steuereinrichtung individuell angesteuert werden, so dass der erste Kolben sich nicht völ ^¬ lig gleichförmig zum zweiten Kolben bewegt. Die Bewegung der beiden Kolben muss zwar ähnlich sein. Insbesondere müssen die Bewegungen die gleiche Grundfrequenz aufweisen. Sie können jedoch einen - gegebenenfalls zeitvariablen - Phasenversatz gegeneinander aufweisen. Damit kann beispielsweise trotz eines konstanten Hubs beider Kolben ein variabler Hubraum bewirkt werden. Auch können - alternativ oder zusätzlich zu ei- ner Variierung des Hubraums - Oberschwingungen der Bewegungen der beiden Kolben voneinander verschieden sein.

Die zweite Federeinrichtung kann - analog zur ersten Federeinrichtung - eine nicht variierbare und/oder eine variierba- re Federeinrichtung umfassen. Auch hier können die beiden Federeinrichtungen alternativ nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein.

Bei der oben stehend erläuterten Ausgestaltung - einschließ- lieh ihrer Variationsmöglichkeiten - arbeiten der erste Kolben und der zweite Kolben in aller Regel ebenfalls gemäß dem Zweitaktprinzip . In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist vorgesehen,

- dass die Verbrennungskraftmaschine einen zweiten Zylinder aufweist,

- dass in dem zweiten Zylinder ein zweiter Kolben der Verbrennungskraftmaschine linear geführt ist,

- dass der zweite Kolben mit dem ersten Kolben mechanisch gekoppelt ist, so dass der erste Kolben und der zweite Kolben sich stets gleichförmig bewegen,

- dass eine erste Stirnfläche des zweiten Kolbens einen zwei ^¬ ten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einseitig be ^¬ grenzt,

- dass auf einer Mantelfläche des zweiten Kolbens der Läufer einer zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass auf einer Mantelfläche des zweiten Zylinders der Sta ^¬ tor der zweiten elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass der Stator der zweiten elektrischen Maschine mit dem Läufer der zweiten elektrischen Maschine elektrisch zusammenwirkt und

- dass der Stator der zweiten elektrischen Maschine zur bidirektionalen Übertragung elektrischer Energie mit einer zweiten Umrichtereinheit verbunden ist.

Bei dieser Ausgestaltung können der erste Kolben und der zweite Kolben alternativ gemäß dem Zweitaktprinzip oder gemäß dem Viertaktprinzip arbeiten.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung: FIG 1 bis 3 je eine Verbrennungskraftmaschine.

Gemäß FIG 1 weist eine Verbrennungskraftmaschine einen ersten Zylinder 1 auf. In dem ersten Zylinder 1 ist ein erster Kol- ben 2 der Verbrennungskraftmaschine linear geführt. Der erste Kolben 2 oszilliert in dem ersten Zylinder 1 zwischen einem ersten oberen Totpunkt OT1 und einem ersten unteren Totpunkt UT1. Eine erste Stirnfläche 3 des ersten Kolbens 2 begrenzt einen ersten Brennraum 4 der Verbrennungskraftmaschine einseitig. Im Übrigen wird der erste Brennraum 4 der Verbrennungskraftmaschine vom ersten Zylinder 1 begrenzt.

Der erste Kolben 2 weist einen Querschnitt auf. Der Quer- schnitt kann kreisförmig sein. Alternativ kann der Querschnitt beispielsweise elliptisch oder oval sein. Auch andere Formen sind möglich, beispielsweise ein polygonaler Querschnitt, insbesondere mit abgerundeten Ecken. Auf einer Mantelfläche 5 des ersten Kolbens 2 ist der Läufer 6 einer ersten elektrischen Maschine angeordnet. Der Läufer 6 kann beispielsweise entsprechend der Darstellung in FIG 1 Permanentmagnete umfassen. In diesem Fall ist die erste elektrische Maschine als permanent erregte Synchronmaschine ausgebildet. Alternativ könnte der Läufer 6 eine Wicklung aufweisen und die erste elektrische Maschine dadurch als elektrisch erregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Wiede ^¬ rum alternativ könnte die erste elektrische Maschine bei ^¬ spielsweise als Asynchronmaschine ausgebildet sein. Auch an- dere Ausgestaltungen sind möglich.

Auf einer Mantelfläche 7 des ersten Zylinders 1 ist der Sta ^¬ tor 8 der ersten elektrischen Maschine angeordnet. Der Stator 8 wirkt mit dem Läufer 6 der ersten elektrischen Maschine elektrisch zusammen. Zumindest in diesem Bereich - d.h. in demjenigen Bereich, in welchem der Stator 8 angeordnet ist - besteht der erste Zylinder 1 vorzugsweise aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise aus Aluminium oder einem hinreichend temperaturfesten Kunststoff.

Der Stator 8 der ersten elektrischen Maschine ist gemäß FIG 1 mit einer ersten Umrichtereinheit 9 verbunden. Zwischen dem Stator 8 der ersten elektrischen Maschine und der ersten Um- richtereinheit 9 kann bidirektional elektrische Energie über ^¬ tragen werden. Die erste elektrische Maschine kann somit - je nach Ansteuerung der ersten Umrichtereinheit 9 - alternativ als Generator oder als Motor betrieben werden. Dadurch kann insbesondere während des Arbeitshubes des ersten Kolbens 2 die Bewegung des ersten Kolbens 2 gezielt verzögert und be ^¬ schleunigt werden, um dadurch Kraftstoffverbrauch, Emissionen und/oder Leistungsausbeute der Verbrennungskraftmaschine zu optimieren. Die entsprechende Steuerung der ersten Umrichter- einheit 9 erfolgt durch eine Steuereinrichtung 10.

Eine der ersten Stirnfläche 3 gegenüberliegende zweite Stirn ^¬ fläche 11 des ersten Kolbens 2 ist mittels einer ersten Fe ^¬ dereinrichtung 12 mit einer ersten Federkraft Fl beauf- schlagt. Die erste Federkraft Fl wirkt derart, dass der erste Kolben 2 auf den ersten Brennraum 4 zu mit der ersten Federkraft Fl beaufschlagt ist, dass der erste Kolben 2 also, aus ^¬ gehend vom unteren Totpunkt UT1, auf den oberen Totpunkt OT1 zu getrieben wird. Die erste Federeinrichtung 12 kann zu die- sem Zweck eine nicht variierbare Federeinrichtung 13 umfas ^¬ sen, beispielsweise eine Spiralfeder 13. Alternativ kann die erste Federeinrichtung 12 eine variierbare Federeinrichtung 14 umfassen, beispielsweise eine Gasfeder 14. Wiederum alternativ kann die erste Federeinrichtung 12 sowohl eine nicht variierbare als auch eine variierbare Federeinrichtung 13, 14 umfassen. Gemäß FIG 1 sind die nicht variierbare Federein ^¬ richtung 13 und die variierbare Federeinrichtung 14 nebenei ^¬ nander angeordnet. Alternativ könnten sie hintereinander angeordnet sein.

Die Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 2 baut auf der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ge ^¬ mäß FIG 1 auf. Nachstehend werden daher nur die zusätzlichen Ausgestaltungen näher erläutert.

Gemäß FIG 2 ist in dem ersten Zylinder 1 zusätzlich ein zweiter Kolben 15 linear geführt. Der zweite Kolben 15 oszilliert - analog zum ersten Kolben 2 - zwischen einem zweiten oberen Totpunkt OT2 und einem zweiten unteren Totpunkt UT2. Ebenfalls analog zum ersten Kolben 2 begrenzt eine erste Stirn ^¬ fläche 16 des zweiten Kolbens 15 den (gemeinsamen) ersten Brennraum 4 der Verbrennungskraftmaschine von FIG 2 einsei- tig. Auf einer Mantelfläche 17 des zweiten Kolbens 15 ist der Läufer 18 einer zweiten elektrischen Maschine angeordnet. Der Läufer 18 der zweiten elektrischen Maschine kann auf die gleiche Art und Weise wie oder auf andere Art und Weise als der Läufer 6 der ersten elektrischen Maschine ausgebildet sein. Auf der Mantelfläche 7 des ersten Zylinders 1 ist wei ^¬ terhin der Stator 19 der zweiten elektrischen Maschine angeordnet. Der Stators 19 der zweiten elektrischen Maschine wirkt mit dem Läufer 18 der zweiten elektrischen Maschine elektrisch zusammen, analog zum Zusammenwirken des Stators 8 und des Läufers 6 der ersten elektrischen Maschine. Der Sta ^¬ tor 19 der zweiten elektrischen Maschine ist mit einer zweiten Umrichtereinheit 20 verbunden. Ebenso wie bei der ersten Umrichtereinheit 9 kann zwischen dem Stator 19 der zweiten elektrischen Maschine und der zweiten Umrichtereinheit 20 bi- direktional elektrische Energie übertragen werden. Auch die zweite elektrische Maschine kann somit - je nach Ansteuerung der zweiten Umrichtereinheit 20 - alternativ als Generator oder als Motor betrieben werden. Die Steuereinrichtung 10 steuert auch die zweite Umrichtereinheit 20. Die erste Umrichtereinheit 9 und die zweite Um ^¬ richtereinheit 20 werden somit von einer gemeinsamen Steuereinrichtung 10 angesteuert. Analog zum ersten Kolben 2 ist auch beim zweiten Kolben 15 eine zweite Stirnfläche 21 des zweiten Kolbens 15 mittels ei ^¬ ner zweiten Federeinrichtung 22 auf den ersten Brennraum 4 zu mit einer zweiten Federkraft F2 beaufschlagt. Die obenstehen ^¬ den Ausführungen zur ersten Federeinrichtung 12 sind analog anwendbar. Insbesondere kann die zweite Federeinrichtung 22 analog zur ersten Federeinrichtung 12 eine nicht variierbare und/oder eine variierbare Federeinrichtung 23, 24 umfassen, beispielsweise eine Spiralfeder 23 und/oder eine Gasfeder 24. Auch hier ist im Falle des Vorhandenseins beider Federein ^¬ richtungen 23, 24 alternativ eine Anordnung der nicht variierbaren und der variierbaren Federeinrichtung 23, 24 nebeneinander oder hintereinander möglich.

Es ist möglich, dass die erste Federeinrichtung 12 und die zweite Federeinrichtung 22 gleiche Federcharakteristiken aufweisen. Alternativ ist es jedoch ebenso möglich, dass die erste Federeinrichtung 12 und die zweite Federeinrichtung 22 voneinander verschiedene Federcharakteristiken aufweisen. Dadurch können insbesondere voneinander verschiedene Eigenschwingungsmodi eingestellt werden.

Analog zur Verwendung gleicher Federcharakteristiken ist es möglich, die erste Umrichtereinheit 9 und die zweite Umrich ^¬ tereinheit 20 gleichartig anzusteuern. Alternativ ist es je ^¬ doch möglich, dass die erste Umrichtereinheit 9 und die zwei ^¬ te Umrichtereinheit 20 von der Steuereinrichtung 10 individu ^¬ ell angesteuert werden. Dadurch kann insbesondere bewirkt werden, dass der erste Kolben 2 sich nicht völlig gleichförmig zum zweiten Kolben 15 bewegt.

Auch die Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 3 baut auf der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschi- ne gemäß FIG 1 auf. Nachstehend werden daher nur die zusätz ^¬ lichen Ausgestaltungen näher erläutert.

Bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 3 weist die Verbrennungskraftmaschine einen zweiten Zylinder 25 auf. In dem zweiten Zylinder 25 ist ein zweiter Kolben 26 der Verbrennungskraftmaschine linear geführt. Bei der Ver ^¬ brennungskraftmaschine gemäß FIG 3 ist der zweite Kolben 26 über eine Kupplungseinrichtung K mit dem ersten Kolben 2 mechanisch gekoppelt. Dadurch ist gewährleistet, dass der erste Kolben 2 und der zweite Kolben 26 sich stets gleichförmig bewegen. Der zweite Kolben 26 oszilliert somit ebenso wie der erste Kolben 2 zwischen dem ersten oberen Totpunkt OT1 und dem ersten unteren Totpunkt UT1. Eine erste Stirnfläche 27 des zweiten Kolbens 26 begrenzt einen zweiten Brennraum 28 einseitig. Die anderen Seiten des zweiten Brennraums 28 wer ^¬ den - analog zum ersten Brennraum 4 - vom zweiten Zylinder 25 begrenzt .

Auf einer Mantelfläche 29 des zweiten Kolbens 26 ist der Läu ^¬ fer 30 einer zweiten elektrischen Maschine angeordnet. Der Läufer 30 der zweiten elektrischen Maschine kann - analog zum Läufer 18 der zweiten elektrischen Maschine von FIG 2 - auf die gleiche Art und Weise wie oder auf andere Art und Weise als der Läufer 6 der ersten elektrischen Maschine ausgebildet sein. Auf einer Mantelfläche 31 des zweiten Zylinders 25 ist der Stator 32 der zweiten elektrischen Maschine angeordnet. Analog zur zweiten elektrischen Maschine von FIG 2 wirken der Stator 32 und der Läufer 30 der zweiten elektrischen Maschine elektrisch zusammen. Auch ist der Stator 32 der zweiten elektrischen Maschine analog zum Stator 19 der zweiten elektrischen Maschine von FIG 2 mit einer zweiten Umrichtereinheit 33 verbunden, so dass zwischen dem Stator 32 der zweiten elektrischen Maschine von FIG 3 und der zweiten Umrichtereinheit 33 von FIG 3 bidirektional elektrische Energie übertra ^¬ gen werden kann.

Bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 1 arbeitet der erste Kolben 2 in der Regel gemäß dem Zwei ^¬ taktprinzip. Ebenso arbeiten bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 2 der erste Kolben 2 und der zweite Kolben 15 in der Regel gemäß dem Zweitaktprinzip. Die Pfeile in den ersten Brennraum 4 hinein und aus dem ersten Brennraum 4 heraus sollen in den FIG 1 und 2 den Zustrom von Frischgas und den Abstrom von Abgas andeuten.

Auch bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine ge ^¬ mäß FIG 3 können der erste Kolben 2 und der zweite Kolben 26 gemäß dem Zweitaktprinzip arbeiten. Wenn bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine gemäß FIG 3 die Arbeitshü ^¬ be des ersten und des zweiten Kolbens 2, 26 alternieren, kann die Verbrennungskraftmaschine von FIG 3 jedoch alternativ auch gemäß dem Viertaktprinzip arbeiten.

Zum ordnungsgemäßen Betrieb der erfindungsgemäßen Verbren- nungskraftmaschine ist es erforderlich, die Lage des ersten Kolbens 2 und gegebenenfalls auch die Lage des zweiten Kol ^¬ bens 15 sowie die Bewegungsrichtung des ersten Kolbens 2 und gegebenenfalls auch des zweiten Kolbens 15 zu erfassen. Diese Erfassung kann beispielsweise mittels eines magnetischen oder optischen Linearmesssystems erfolgen. Auch andere Erfassungs ^¬ möglichkeiten sind gegeben.

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. So kann insbesondere durch die federunterstützte Rückführung des ers- ten Kolbens 2 und gegebenenfalls auch des zweiten Kolbens 15, 26 auf den jeweiligen oberen Totpunkt OT1, OT2 zu die erforderliche Spitzenleistung der ersten elektrischen Maschine und gegebenenfalls auch der zweiten elektrischen Maschine deut ^¬ lich reduziert werden. Dennoch kann durch entsprechende An- Steuerung der ersten Umrichtereinheit 9 und gegebenenfalls auch der zweiten Umrichtereinheit 20, 33 eine Optimierung des Verbrennungsprozesses erfolgen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .