DE4133948A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Herkömmliche Verbrennungsmotoren nach dem Otto- und dem Dieselprinzip liefern mechanische Leistung über eine Kurbelwelle. Für ihren Betrieb benötigen sie einen Energiespeicher in Form eines Schwungrades. Die für den Antrieb von Schiffen benutzten Freikolbenmotoren ohne Kurbelwelle liefern Druckluft als Ergebnis der Verbrennung. Einige Ausführungen von Freikolbenmotoren betreiben einen Ölkreislauf.

Alle bisher verwendeten Verbrennungsmaschinen benötigen zum Betrieb einen Startvorgang, welcher bei Freikolbenmotoren sogar sehr kompliziert ist. Es war bisher nicht möglich, einen Motor sofort in Betrieb zu nehmen. Motoren mit Schwungrad sind erst ab einer Mindestdrehzahl arbeitsfähig. Bei den bisherigen Verbrennungsmotoren bestehen kaum noch Möglichkeiten, den Wirkungsgrad weiter zu steigern, da die Kurbelwelle einen exakten Ablauf der Takte vorschreibt.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor zu schaffen, welcher augenblicklich, also z. B. durch Druck auf das Gaspedal, gestartet werden kann und auch wieder ausgeschaltet werden kann. Die Zeit für den Kompressionstakt soll verkürzt werden können zugunsten einer wirkungsvolleren Kompression und einer besseren Ausnutzung von Arbeitstakt und eventuell Ansaugtakt.

Der Vorteil dieses Verbrennungsmotors ist, daß er keinen Treibstoff benötigt und auf unnötige Lärmentwicklung, verzichtet, wenn er gerade keine Leistung abgeben muß, z. B. an Ampelanlagen, in Staus oder einfach beim Gas­ wegnehmen. Bei der Verwendung als Notstromversorgung ist der Motor in der Lage, schneller elektrische Energie zu liefern.

In Anspruch 2 besitzt der Elektromotor mehrere Ständer­ spulen deren Windungszahlen unterschiedlich sind bzw. deren Abstände zueinander unterschiedlich sind.

Dadurch kann eine günstige Anpassung an die ungleichmäßige Kolbenbewegung erreicht werden. In Anspruch 3 ist der Verbrennungskolben ein Bauteil des Elektrogenerators, indem er in Nuten eine Wicklung trägt und damit als Läufer einer Synchron- oder Asynchronmaschine wirkt. Die Erfahrung der elektrischen Linearantriebe zeigt, daß der Kolben auch ohne eigene Wicklung die Funktion des Läufers erfüllen könnte, jedoch ist der Wirkungsgrad mit Wicklung und magnetischem Material besser. Der Verbrennungszylinder arbeitet in dieser Ausführungsform der Maschine als Stator des Generators. Dies geschieht dadurch, daß die magnetischen Teile des Verbrennungszylinders die Pole der Statorspulen darstellen und dazwischen sich unmagnetisches Material befindet, z. B. Keramik. Es ergibt sich ein Verbrennungszylinder, welcher aus verschiedenen Materialien aufgebaut ist. Der Luftspalt dieser Maschine ist sehr klein.

In Anspruch 4 kann ein herkömmlicher Generator bzw. Elektromotor für Drehbewegung verwendet werden. In Anspruch wird die Unwucht der Maschine nach An­ spruch 4 ausgeglichen.

In Anspruch 6 ist ein Motor mit 4, 6, 8, . . . usw. Zylindern beschrieben. Es stehen sich immer 2 Zylinder in einer Ebene gegenüber und bewegen sich gegenläufig, damit keine Unwucht entsteht. Der Generator in der nächsten Ebene für die nächsten 2 Zylinder ist mit dem Generator in der vorausgegangenen Ebene zusammengebaut.

In Anspruch 7 ist eine Zweitaktausführung beschrieben. Diese Maschine fordert von der elektronischen Steuerung etwas mehr Logik, da in der Startphase zunächst der Kolben nach UT gezogen werden muß, bevor die Kompression stattfinden kann.

Anspruch 8 zeigt, daß dieser Motor sehr einfach zu kühlen ist, da über die starre Verbindung zwischen Kolben und Generator leicht Kühlflüssigkeit geführt werden kann.

Anspruch 9 zeigt, daß auf getrennte Kühlmittel- bzw. Schmierölpumpen verzichtet werden kann, wenn die Hin- und Herbewegung des Verbrennungskolbens und des Läufers verwendet wird, um in ihrem Inneren über feststehende Pumpenkolben sich verändernde Räume zu schaffen, durch welche über geeignete Ventile eine Strömung entsteht. In Anspruch 10 benötigt die Einheit aus Kolben und Läufer keine mechanische Verbindung zu anderen Teilen.

In Anspruch 11 arbeitet der Generatorteil als Synchronmaschine. Wird hier ein Permanentmagnet für die Erregung verwendet, benötigt man genauso wie bei der Asynchronmaschine, keine mechanische Verbindung des Kolbens und Läufers mehr zu anderen Teilen.

In Anspruch 12 wird die Verwendung von Schleifern vorgeschlagen, welche z. B. auf leitenden Bahnen entlang der Führung des Läufers liegen können, z. B. auf einer Schmetterlingsführung des Läufers. Der Läufer kann jedoch auch mit Rollen auf einer Führung gehalten werden. Dabei ist es möglich, auf den Rollen einen Stahldraht auf- und abzuwickeln, welcher den Erregerstrom führt.

In Anspruch 13 wird der Erregerstrom über Federn auf den Läufer geführt. Die Federn können außer der Stromführung auch die Funktion besitzen, den Kolben in Ruhestellung in einer definierten Position, z. B. UT halten.

In Anspruch 14 besteht der Zylinder aus magnetischem und unmagnetischem Stahl. Damit keine Wirbelströme fließen, muß der Stahl geblecht sein. Die Lauffläche des Zylinders weist daher einen Längsschlitz auf, welcher mit elektrisch isolierendem Material gefüllt sein muß, damit keine Undichtigkeit entsteht.

In Anspruch 15 wird gezeigt, daß der Luftspalt des Generators minimal gehalten werden kann und zwar dadurch, daß bei Erwärmung der Maschine und damit des Läufers, erreicht wird, daß der Stator sich vom Läufer entfernt. Dies ist im Gegensatz zu Maschinen für Drehbewegung bei dieser Maschine möglich.

In Anspruch 16 werden die während des Arbeitstaktes entstehenden Impulse über Halbleiterventile, welche z. B. Thyristoren sein können, in Form eines pulsierenden Gleichstroms auf den oder die externen Verbraucher geschaltet.

In Anspruch 17 werden die während des Arbeitstaktes entstehenden Impulse über steuerbare Halbleiterventile auf die Phasen eines Drehstromsystems geleitet, so daß sich in diesem Drehstromsystem ein über die Anzahl und die Länge der pro Phase verwendeten Impulse definiertes Drehfeld ergibt.

In Anspruch 18 liefert der Verbrennungsmotor seine Stromimpulse an einen Elektromotor mit Schwungrad. Das Schwungrad speichert die Energie der Verbrennungstakte und kann diese über den Elektromotor wieder abgeben. Diese Einrichtung hat vorallendingen dann einen Vorteil, wenn während des Verbrennungstaktes der elektrische Verbraucher abgeschaltet werden würde. Es wäre dann nämlich keine Gegenkraft für den Verbrennungskolben mehr vorhanden, bzw. die Starterbatterie würde zu stark belastet werden.

In Anspruch 19 wird die Möglichkeit beschrieben, über eine unterschiedliche Auslegung des Luftspalts der einzelnen Statorspulen zum Läufer, die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des Generators an den ungleichmäßigen Lauf des Kolbens anzupassen; z. B. größerer Luftspalt im Bereich höherer Kolbenge­ schwindigkeit.

In Anspruch 20 stehen sich zwei Zylinder in einer Ebene gegenüber, wobei deren Kolben einen gemeinsamen Läufer besitzen mit dem sie starr verbunden sind. Weil dadurch eine starke Unwucht beim Betrieb entstehen würde, befindet sich in einer weiteren Ebene eine zusätzliche Einheit, deren Kolben sich gegenläufig zur ersten bewegen.

Als Ausführungsbeispiel wird der Verbrennungsmotor beschrieben für einen mehrpoligen Stator und einen Läufer, welcher entweder eine konstante Erregung aufweist, oder auf einem geblechten Eisenmaterial eine Kurzschlußwicklung trägt. Der Läufer ist über eine feste Trägerstange mit dem Kolben verbunden und kann daher lediglich eine Hin- und Herbewegung ausführen. Die Ruhestellung des Kolbens ist UT. Es wird für die Verbrennung das Diesel-Verfahren benutzt, so daß der Zylinder mit Frischluft gefüllt ist.

Beim Einschalten des Verbrennungsmotors wird jetzt an die Statorspulen über eine Elektronikschaltung schrittweise Spannung angelegt, damit ein Wanderfeld entsteht, welches den Läufer samt Kolben in Richtung DT bewegt. Derartige Elektronikschaltungen wurden in der Vergangenheit für elektrische Linearantriebe entwickelt, z. B. für die Magnetschwebebahnen. Diese Elektronikschaltungen sind auch in der Lage, präzise Bremsungen zu steuern.

Der Kolben beschleunigt zunächst, um dann durch den steigenden Kompressionsdruck der Luft wieder abgebremst zu werden. Bei Annäherung des Kolbens an DT wird über einen Stromimpuls aus der Elektronikschaltung die elektrisch betätigte Einspritzpumpe ausgelöst und Kraftstoff im Verbrennungsraum zur Entzündung gebracht. Es entsteht kurzfristig ein sehr hoher Druck der verbrennenden Gase welcher der Bewegung des Kolbens und des Wanderfeldes entgegenwirkt. Hierbei wandelt sich die Funktion des elektrischen Antriebs zum Generator. Die Auslösung des Einspritzvorgangs durch die Elektronikschaltung kann von einem Sensor, aber auch durch Rückwirkung von den Statorspulen kommen, Der kurzzeitige, sehr hohe Druck bewirkt keine schädliche Belastung des Generators, da dieser Druck gleichfalls gegen die Masse des Kolbens und des Läufers arbeiten muß und daher außer elektrischer Energie auch Bewegungs­ energie des Kolbens aufbauen muß. Während des Expansions­ vorgangs (Arbeitstaktes) muß die erzeugte elektrische Energie über externe Verbraucher abgeführt werden.

Hierbei wird der Kolben abgebremst und verliert an Geschwindigkeit. Die Arbeitsfähigkeit der Verbren­ nungsgase läßt immer weiter nach und es wird die Bewegungsenergie des Kolbens zusätzlich in elektrische Energie umgewandelt. Nähert sich nun der Kolben UT, so bewirkt das Wanderfeld die Abbremsung des Kolbens zum Stillstand und gleich darauf dessen Richtungsumkehr. In diesem Zeitraum wird das Auslaßventil geöffnet. Kurz vor Erreichen von DT wird die Richtung des Wanderfeldes umgekehrt, wodurch der Kolben abgebremst wird und seine Bewegungsrichtung wiederum umkehrt. In diesen Zeit­ abschnitt fällt das Schließen des Auslaßventils und das Öffnen des Einlaßventils. Der Kolben bewegt sich wie­ der nach UT und wird dort zum Stillstand gebracht. Falls kein weiteres Arbeitsspiel erforderlich ist, ruht die Maschine, wobei das Einlaßventil für eine bestimmte Zeit geöffnet bleibt. Damit kann der nach dem Ansaug­ vorgang verbleibende geringe Unterdruck im Zylinder sich nach und nach ausgleichen und zieht den Kolben nicht zu sehr nach DT. Federn, über die auch ein Erregerstrom für den Läufer geführt werden kann, können hier hilfreich sein, um den Kolben in UT zu halten, bis ein erneutes Arbeitsspiel gefordert wird.

Die Wanderfelder, welche den Kolben bewegen, müssen von einer Elektronik exakt erzeugt werden, damit der Kolben möglichst genau bei DT und UT seine Richtung umkehrt. Da dieses nie vollständig garantiert werden kann, besitzt die Maschine jeweils, zwei mechanische Sicherheitsanschlä­ ge. Ein Aufprall auf diese Sicherheitsanschläge findet, wenn überhaupt, nur mit ganz minimaler Energie statt, da vorher entweder elektrisch gebremst wurde, oder der Kom­ pressionsdruck bzw. der Verbrennungsdruck einen Aufprall verhindern. Der Sicherheitsanschlag für UT kann mit ei­ ner mechanischen Feder verbunden sein. Die Energie, welche die Feder gegebenenfalls durch einen Aufprall erhält, ist in der Regel für die Rückbewegung des Kol­ bens wieder verfügbar. Ein Aufprall auf den Anschlag für OT findet nie statt, da beim Kompressionstakt sehr hohe Kräfte entstehen, welche einen Aufprall sicher verhindern. Im Störungsfall entsteht ledig­ lich ein höherer Kompressionsdruck, was für die Die­ sel-Verbrennung jedoch unkritisch ist. Beim Ausstoß­ takt wird der Kolben sicherheitshalber nicht ganz bis nach OT befördert. Es findet trotzdem ein effizienter Gasaustausch statt, da für den Ansaugtakt mehr Zeit zur Verfügung steht. Somit ist für OT gewährleistet, daß kein Aufprall auf den Sicherheitsanschlag statt­ findet. Die magnetische Dimensionierung der Maschine richtet sich nach der Arbeitsleistung der Verbren­ nung, wobei diese Leistung nicht während des gesamten Arbeitsspiels aufgebracht werden muß. Die thermi­ sche Belastung des elektrischen Teils ist daher wesent­ lich niedriger als bei vergleichbaren Generatoren. Die Masse von Kolben und Läufer bewirkt, daß der elektrische Teil nicht den vollen Anfangsdruck der Verbrennung er­ tragen muß. Diese Masse wirkt ausgleichend über den Arbeitstakt.

Die beste Ausnutzung der Maschine ergibt sich, wenn die steuernde Elektronik die Kolbengeschwindigkeiten erkennt und das Wanderfeld dabei so anpaßt, daß weit­ gehend der volle Hub des Kolbens ausgeführt werden kann. Die Kolbengeschwindigkeit kann über die Rückwirkung an den Statorspulen oder über zusätzlich angebrachte Sen­ soren festgestellt werden.

Die Richtungsumkehr bei OT und UT ist nicht kritisch. Der Kompressionstakt bewirkt eine Richtungsumkehr bei OT durch den Kompressionsdruck bzw. Verbrennungsdruck und es findet daher kein mechanischer Aufprall des Kolbens statt. Bei allen anderen Abläufen, bei denen eine Richtungsumkehr notwendig ist, muß der Umkehrpunkt nicht so präzise angesteuert werden, d. h. die Richtungsumkehr kann bereits vor OT oder UT erfolgen. Es besteht dann immer noch eine Sicherheitsreserve für den Bremsweg des Kolbens. Da das Abbremsen des Kolbens elektrisch erfolgt, wird diese Energie vollständig als Nutzenergie ver­ fügbar, genauso wie dies bei der Kurbelwelle auch der Fall ist, dort jedoch als mechanische Energie.

Claims (20)

1. Verbrennungsmotor insbesondere nach dem Otto- und dem Dieselverfahren, gekennzeichnet dadurch, daß die Längsbewegung des Kolbens in einem elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird und dieser Generator gleichzeitig erfindungsgemäß im Wechsel der Takte zusätzlich die Funktion eines Elektromotors übernimmt um den Kolben während derjenigen Takte zu bewegen, in denen keine Verbrennung stattfindet. Der elektrische Generator führt in seiner Eigenschaft als Elektromotor erfindungsgemäß mindestens den Kompressionstakt durch.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der elektrische Generator als mehrpolige Maschine für eine Längsbewegung gebaut ist. Die Ständerspulen sind an die unterschiedliche Geschwindigkeit des Läufers während des Arbeitstaktes erfindungsgemäß dadurch angepaßt, daß die Windungszahlen der Spulen bzw. deren Abstände zueinander unter­ schiedlich aufgebaut sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß Verbrennungsteil und Elektrogenerator eine gemeinsame Baugruppe darstellen. Dies ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verbrennungszylinder sowohl aus magnetischem Material wie Stahl, als auch aus unmagne­ tischem Material, wie z. B. Keramikwerkstoffen, besteht. Weiterhin ist der Verbrennungskolben erfindungsgemäß auch gleichzeitig ein Bauteil des Elektrogenerators, indem er dessen Läufer darstellt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Elektrogenerator für Drehbewegung gebaut ist und die Längsbewegung des Kolbens über ein Getriebe, bestehend aus Zahnstange und mindestens einem Zahnrad, auf den Generator übertragen wird. Der Generator führt in der Funktion als Elektromotor genauso wie in Anspruch 1 beschrieben, den oder die passiven Takte aus.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß ein zweiter Kolben, welcher sich zum ersteren gegenläufig bewegt, mit seiner Zahnstange auf den gleichen Generator wie der erste Kolben einwirkt und von diesem Generator auch in dessen Funktion als Elektromotor bewegt werden kann.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß er aus mindestens 2 Einheiten von jeweils 2 sich gegenüber stehenden Zylindereinheiten besteht, deren Kolben sich wie in Anspruch 5 zueinander gegenläufig bewegen. Der elektrische, mehrpolige Generator ist hierbei so aufgebaut, daß der magnetische Fluß gemeinsame Eisenteile des Generators verwenden kann und damit der Streufluß reduziert wird und die Baugröße geringer ausfallen kann.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Motor nach dem 2-Takt-Verfahren arbeitet und damit beim Arbeitstakt gleichzeitig Luft oder Gemisch mit der dem Verbrennungsraum abgewandten Seite des Kolbens vorverdichtet. Die Takte verlaufen wie für Zweitakt-Motoren bekannt, jedoch mit dem Unterschied, daß der Kompressionstakt wie in Anspruch 1 beschrieben, von dem Generator in seiner Eigenschaft als Elektromotor durchgeführt wird und beim Arbeitstakt elektrische Energie erzeugt wird. Die Schmierung der Reibungsflächen an den Zylinderinnen­ wänden erfolgt nicht über ein Öl-Kraftstoff-Gemisch. Vielmehr wird erfindungsgemäß, durch mindestens eine Öffnung in der Zylinderwand, Öl mit Überdruck in dem Moment abgegeben, indem sich diese Öffnung im Zwischen­ raum zweier Kolbenringe befindet. In diesem Zwischen­ raum befindet sich wiederum mindestens eine Bohrung im Kolben, durch welche das Öl, über einen Kanal im Kolbeninnenraum, der sich in der Verbindungsstrebe zum Generator befindet, wieder abgesaugt wird.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindungsstrebe zwischen Kolben und Generator die Zufuhr von Kühlflüssigkeit durch den Läufer des Generators und in den Kolben ermöglicht.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, bzw. Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß die durch die Verbin­ dungsstrebe beförderte Kühlflüssigkeit bzw. das Schmieröl, durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens, innerhalb der Verbindungsstrebe gepumpt wird, derart, daß innerhalb der Verbindungsstrebe ein oder mehrere feststehende Pumpenkolben angebracht sind.

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Generator als Asynchronmaschine mit mindestens einer Kurzschlußwicklung auf dem Läufer aufgebaut ist.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Generator als Synchronmaschine aufgebaut ist. Die Erregung kann durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten erfolgen.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Erregerstrom über die mechanische Führung des Läufers zugeführt wird, wobei dieses entweder über Schleifer oder über einen Stahldraht erfolgen kann, welcher auf den Führungsrollen des Läufers aufgewickelt wird.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, daß der Erregerstrom über Federn dem Läufer zugeführt wird.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß als unmagnetisches Material Bleche aus unmagnetischem Stahl verwendet werden.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer justiert werden kann und zwar zum einen manuell, als auch bei Erwärmung der Maschine automatisch.

16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Impulse, welche während des Verbrennungstaktes in einer oder mehreren Zylindereinheiten entstehen, über Halbleiterbauelemente zu einem Gleichstrom zusammengesetzt werden.

17. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Impulse, welche während des Verbrennungstaktes in einer oder mehreren Zylindereinheiten entstehen, über Halbleiterbauelemente zu einem Drehstrom zusammengesetzt werden. Hierbei kann die Umlauffrequenz des Drehstroms dadurch bestimmt werden, daß eine unterschiedliche Anzahl von Impulsen von einer oder mehreren Zylindereinheiten jeweils zu einer Halbwelle einer Phase des Drehstroms verwendet werden.

18. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Speicherung der von dem Motor erzeugten elektrischen Energie ein Schwungrad verwendet wird, welches von einem Elektromotor angetrieben wird, welcher die elektrischen Impulse des Verbrennungsmotors aufnimmt.

19. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Luftspalt der einzelnen Pole unterschiedlich ist um eine elektrische Anpassung an die Bedürfnisse des Expansionsvorgangs zu erhalten.

20. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die in einer Ebene sich gegenüberstehenden Kolben der Zylindereinheiten sich nicht gegenläufig bewegen sondern miteinander, wobei der mittlere Teil des Generators gemeinsam genutzt wird. Hierbei kann auch der Läufer gemeinsam benutzt werden. Die entstehende Unwucht wird erfindungsgemäß dadurch ausgeglichen, daß in mindestens einer weiteren Ebene sich eine weitere Einheit gleichen Aufbaus befindet, deren Kolben sich zu den ersteren gegenläufig bewegen.