DE19943993A1 - Brennkraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Eine nach dem Zweitaktverfahren arbeitende Brennkraftmaschine umfaßt einen in einem Arbeitszylinder (2) angeordneten freischwingenden Doppelkolben, der zwei über eine Kolbenstange (4) miteinander verbundene und in entsprechenden Brennkammern (5) des Arbeitszylinders (2) beweglich angeordnete Kolben (3) umfaßt. Mit der Brennkraftmaschine ist ein Lineargenerator (12) gekoppelt, der einen in den Arbeitszylinder (2) eingesetzten Generatorzylinder (13) umfaßt, an dessen Innenwand eine Spulenwicklung (14) angeordnet ist. An der Kolbenstange (4) ist ein Permanentmagnet (15) angebracht, der bei Schwingen des Doppelkolbens (3) axial in der Spulenwicklung (14) hin- und herbewegt wird und in der Spulenwicklung (14) eine elektrische Wechselspannung induziert.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Lineargenerator nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei derartigen Brennkraftmaschinen dient der Lineargenerator als Energiequelle,
beispielsweise für ein an den Lineargenerator angeschlossenes Bordnetz eines
Kraftfahrzeugs. Zudem ist durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den
Lineargenerator ein Starten der Brennkraftmaschine möglich.
Eine gattungsgemäße Zweitakt-Brennkraftmaschine ist z. B. in der DE-A-23 55 728
beschrieben. Die Brennkraftmaschine umfaßt einen Arbeitszylinder, in dem ein
freischwingender Doppelkolben angeordnet ist. Die beiden Kolben sind beweglich in
Brennkammern des Arbeitszylinders gelagert. An der Innenwand des Arbeitszylinders ist
über die gesamte Länge des Arbeitszylinders eine Spulenwicklung angeordnet. Der
Doppelkolben selbst ist als Permanentmagnet ausgestaltet, so daß bei Schwingen des
Doppelkolbens in der Spulenwicklung eine elektrische Wechselspannung induziert wird. Bei
dieser Ausgestaltung ist jedoch nachteilig, daß der Doppelkolben selbst aus einem
permanentmagnetischen Material besteht. Durch die während des Betriebes auftretende
Überhitzung der Kolben kann die magnetische Wirkung der Kolben verloren gehen. Zudem
kann bei Überhitzung der Kolben die notwendige Isolierung der Spulenwicklung zerstört
werden, da die Spulenwicklung auch im Bereich der Kolben an der Innenwand des
Arbeitszylinders angebracht ist.
Eine weitere bekannte Ausgestaltung einer Brennkraftmaschine mit einem Lineargenerator
ist in der DE-A-10 93 139 beschrieben. Diese Brennkraftmaschine umfaßt einen
Vorverdichtungszylinder, in dem der eigentliche Arbeitszylinder koaxial angeordnet ist.
Zwischen den Wänden des Vorverdichtungszylinders und des Arbeitszylinders ist die
Spulenwicklung eines Lineargenerators angeordnet. Neben der Verwendung mehrerer
Zylinder und dem daraus folgenden relativ aufwendigen Aufbau dieser Brennkraftmaschine
ist bei dieser Ausführungsform zudem die Anordnung der Spulenwicklung zwischen den
Wänden der beiden Zylinder nachteilig, da die Wand des Arbeitszylinders eine gewisse
magnetische Abschirmwirkung besitzt und somit die Induktion der Spannung behindert.
Auch in der US-A-4532431 und der EP-A-0120986 sind Brennkraftmaschinen mit
eingebautem Lineargenerator beschrieben. Die in diesen Druckschriften vorgeschlagenen
Brennkraftmaschinen umfassen jedoch nicht nur einen einzigen Arbeitszylinder, in dem
sowohl die beiden Brennkammern mit den Kolben sowie der Lineargenerator angeordnet
sind, sondern es sind zwei voneinander getrennte Arbeitszylinder für die beiden Kolben
vorgesehen, wobei die Kolbenstange aus den beiden Arbeitszylindern herausgeführt ist und
durch einen von den beiden Arbeitszylindern separat vorgesehenen weiteren Zylinder
verläuft, in dem der Lineargenerator untergebracht ist. Für den Lineargenerator sind jeweils
parallel zu der eigentlichen Kolbenstange verlaufende weitere Stangen vorgesehen, welche
mit der Kolbenstange im Zwischenraum zwischen dem zuvor genannten Zylinder und den
einzelnen Arbeitszylindern verbunden ist, wobei bei der US-A-4532431 an den weiteren
Stangen Erregermagnete angebracht sind, welche sich innerhalb stationär angebrachter
Spulenwicklungen drehen, während bei der EP-A-0120986 an den weiteren Stangen
Spulenwicklungen angebracht sind, welche sich um stationäre Erregermagnete drehen. Aus
der obigen Beschreibung dieser Druckschriften folgt, daß der Aufbau der
Brennkraftmaschine jeweils nicht kompakt, sondern äußerst platzaufwendig ist.
Schließlich wird in der DE-A-11 08 002 vorgeschlagen, in einem Gehäuse einer
Brennkraftmaschine, an dessen Endplatten die Arbeitszylinder für einen freischwingenden
Doppelkolben befestigt sind, zwei Elektromagnete anzuordnen, wobei jeder Elektromagnet
zwei Polstücke mit zwei Polen und ein zu der Kolbenstange quergerichtetes Joch umfaßt,
welches von einer Feldwicklung umgeben ist. Die einander gegenüberliegenden Polstücke
der Elektromagnete bilden auf zwei Seiten der Kolbenstange einen Spalt, in dem ein Anker
aus Weicheisen vorgesehen ist, der bei Schwingen des Doppelkolbens magnetische
Flußwege abwechselnd für die rechten und linken Paare der einander gegenüberliegenden
Pole der beiden Polstücke schließt, so daß in einer die beiden Pole umgebenden Wicklung
eine elektrische Wechselspannung induziert wird. Diese Wicklung verläuft parallel zu der
Kolbenstange. Das in dieser Druckschrift vorgeschlagene Prinzip hat einen relativ
aufwendigen Aufbau des Lineargenerators zur Folge. Zudem wird nicht direkt in der zuvor
erwähnten Spule eine elektrische Spannung induziert, sondern dies geschieht lediglich
indirekt durch abwechselndes Schließen der beiden magnetischen Flußwege.
Das Grundprinzip einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mit freischwingendem Doppelkolben
ist ausführlicher beispielsweise in der DE-A-30 29 287 beschrieben, wobei jedoch bei der in
dieser Druckschrift beschriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschine kein Lineargenerator zum
Einsatz kommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem
Lineargenerator bereitzustellen, bei dem die Brennkraftmaschine einfach herstellbar und
zudem kompakt aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfaßt einen in den Arbeitszylinder
eingesetzten Generatorzylinder, bevorzugt aus keramischem Material, an dessen Innenseite
im Bereich der Kolbenstange eine Spulenwicklung angebracht ist. An der Kolbenstange
selbst ist zwischen den beiden Kolben ein Permanentmagnet oder ein
Permanentmagnetsatz angebracht ist, der bei Schwingen des Doppelkolbens axial in der
Spulenwicklung hin- und herbewegt wird und somit in der Spulenwicklung eine elektrische
Wechselspannung induziert.
Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Zweitaktdirekteinspritzermotor ausgestaltet, wobei
jede Brennkammer jeweils mindestens einen Einlaß für einen Brennstoff, ein Zündmittel zum
Zünden des Brennstoffes in der entsprechenden Brennkammer und einen Auslaß zum
Abführen des verbrauchten Brennstoffes aufweist.
Die Breite der Spulenwicklung entspricht vorteilhafterweise in etwa der Breite des
Permanentmagneten, und der Durchmesser des Generatorzylinders entspricht in etwa dem
Durchmesser des Arbeitszylinders.
Insgesamt wird somit eine äußerst kompakt aufgebaute Brennkraftmaschine mit lediglich
einem Arbeitszylinder vorgeschlagen, bei welcher der Lineargenerator nach einem einfachen
Prinzip arbeitet. Durch den Arbeitszylinder und den Generatorzylinder wird ein kompaktes
Gehäuse der Brennkraftmaschine gebildet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben.
Bei der in der einzigen Figur dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um einen
nach dem Zweitaktverfahren arbeitenden Freikolbenmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem
starren Doppelkolben. Die beiden Kolben 3 des Doppelkolbens sind durch eine
Kolbenstange 4 miteinander verbunden. Der Doppelkolben ist freischwingend axial in einem
Arbeitszylinder 2 angeordnet, wobei durch die Seitenwand des Arbeitszylinders 2 jeweils
eine Brennkammer 5 begrenzt wird. Die Kolben 3 liegen im Gegensatz zu der aus der DE-A-30 29 287
bekannten Ausgestaltung jeweils axial innen von der entsprechenden
Brennkammer 5, d. h. jede Brennkammer 5 wird zudem seitlich durch die Stirnfläche eines
der beiden Kolben 3 begrenzt. Die Brennkammern 5 können über Stangenschrauben
gegeneinander verspannt werden. Jede Brennkammer 5 weist eine Einspritzdüse 7 zum
Einspritzen eines geeigneten Brennstoffes, beispielsweise Gas, Diesel, Rapsöl usw., auf.
Ebenso ist in jeder Brennkammer 5 ein Luftansaugventil 6, eine Zündkerze 8 zum Zünden
des eingespritzten Brennstoffes und ein Auslaß 9 zum Abführen des verbrannten bzw.
verbrauchten Brennstoffes vorgesehen.
Durch Hin- und Herschwingen des Doppelkolbens wird somit jeweils abwechselnd eine der
beiden Brennkammern 5 komprimiert. In der Zeichnung ist dies die linke Brennkammer 5. In
dieser Kompressionsstellung des Doppelkolbens sind die Auslässe 9 der komprimierten
Brennkammer 5 durch den entsprechenden Kolben 3 verschlossen, und in der
komprimierten Brennkammer 5 wird der über die Einspritzdüse 7 eingespritzte Brennstoff mit
Hilfe der entsprechenden Zündkerze 8 gezündet. Die rechte Brennkammer 5 ist hingegen
nicht komprimiert, da sich der entsprechende Kolben 3 in seiner ausgefahrenen Stellung
befindet. In dieser Stellung des rechten Kolbens 3 sind die rechten Auslässe 9 geöffnet, so
daß aus der rechten Brennkammer 5 verbrannter Brennstoff über die Auslässe 9 austreten
kann. Nach Entzündung des Brennstoffes in der linken Brennkammer 5 wird der
Doppelkolben durch den dabei entstehenden Druck nach rechts bewegt. Auf diese Weise
werden die Auslässe 9 in der linken Brennkammer 5 von dem linken Kolben freigegeben,
und der verbrauchte Brennstoff kann aus der linken Brennkammer 5 entweichen. Des
weiteren wird dadurch die rechte Brennkammer 5 und der durch die entsprechende
Einspritzdüse 7 zugeführte Brennstoff komprimiert und über die Zündkerze 8 entzündet.
Anschließend wiederholt sich der zuvor beschriebenen Vorgang, so daß es zu einem
kontinuierlichen Hin- und Herschwingen des Doppelkolbens kommt. Über einen Tropföler 10
kann die Brennkraftmaschine geschmiert werden. Des weiteren ist eine Ölablaßschraube 11
vorgesehen, um bei Bedarf Schmieröl ablassen zu können.
Durch das zuvor beschriebene Direkteinspritzerprinzip wird eine nachteilige Vermischung
der Abgase mit Teilen des unverbrauchten Brennstoffes, wie es beispielsweise bei der in der
DE-A-30 29 287 beschriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschine auftritt, vermieden.
Die Abgase können über die Auslässe 9 in einen umlaufenden Sammler austreten, wobei für
jede Brennkammer 5 ein separater Sammler oder für beide Brennkammern 5 eine
gemeinsame Sammelanlage vorgesehen sein kann, von der die Abgase beispielsweise in
den Hauptkatalysator des entsprechenden Kraftfahrzeugs weitergeleitet werden. Ebenso ist
die Nachschaltung einer Rußfalle, eines Kollektors oder eines Nachbrenners
empfehlenswert.
Die in Fig. 1 gezeigte Brennkraftmaschine 1 weist als elektrische Energiequelle einen
innenliegenden Lineargenerator 12 auf. Der Lineargenerator 12 umfaßt einen
Generatorzylinder 13, welcher vorzugsweise aus Keramik oder alternativ auch aus Metall
oder Kunststoff gefertigt und wie gezeigt bündig, d. h. mit demselben Durchmesser, in den
Arbeitszylinder 2 eingesetzt ist. Der Arbeitszylinder 2 umfaßt somit zwei Zylinderhälften,
welche über den Generatorzylinder 13 miteinander verbunden sind. An der Innenwand des
Generatorzylinders 13 ist im Bereich der Kolbenstange 4 eine Kupfer- oder Aluminiumspule
14 angebracht. An der Kolbenstange 4 ist zudem ein Permanentmagnetsatz 15 angebracht,
welcher vorzugsweise dieselbe axiale Länge wie die Spule 14 besitzt. Durch diese
Anordnung wird im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen Druckschrift DE-A-23 55 728
sichergestellt, daß die permanentmagnetische Wirkung auf den Bereich des
Permanentmagnetsatzes 15 beschränkt ist, d. h. die beiden Kolben 3 sind nicht
permanentmagnetisch. Zudem ist die Spule 14, wie in der Zeichnung dargestellt ist, auf den
Bereich zwischen den beiden Kolben 3, d. h. den Bereich der Kolbenstange 4 begrenzt.
Durch das Hin- und Herschwingen des Doppelkolbens wird der an der Kolbenstange 4
befestigte Permanentmagnetsatz axial durch die innenliegende Spule 14 bewegt und
induziert in der Spule eine Wechselspannung, die je nach Anwendungsfall zwischen 12 und
300 Volt liegen kann. Diese Wechselspannung kann an der Spule abgegriffen werden und
beispielsweise als Versorgungsspannung für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs dienen.
Darüber hinaus kann der Lineargenerator 12 auch eine Startfunktion für die
Brennkraftmaschine 1 wahrnehmen. Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Spule 14
bei Stillstand des Doppelkolbens wird dieser durch die daraus resultierende magnetische
Wechselwirkung mit dem Permanentmagnetsatz 15 entweder nach links oder nach rechts
verschoben und eine der beiden Brennkammern 5 durch den entsprechenden Kolben 3
komprimiert, so daß in der komprimierten Brennkammer der Brennstoff eingespritzt und
entzündet werden kann. Als Starthilfe können dabei die bereits erwähnten Luftansaugventile
6 dienen, welche durch das Zuführen von Luft das Dekomprimieren des jeweiligen
Gegenzylinders unterstützen. In der Zeichnung ist daher das der entkomprimierten
Brennkammer 5 zugeordnete Luftansaugventil geöffnet, während das der komprimierten
Brennkammer 5 zugeordnete Luftansaugventil 6 geschlossen ist.
1
Brennkraftmaschine
2
Arbeitszylinder
3
Kolben
4
Kolbenstange
5
Brennkammer
6
Luftansaugventil
7
Einspritzdüse
8
Zündkerze
9
Abgasöffnung
10
Tropföler
11
Ölablaßschraube
12
Lineargenerator
13
Generatorzylinder
14
Spule
15
Permanentmagnetsatz
Claims (8)
1. Brennkraftmaschine, mit einem in einem Arbeitszylinder (2) angeordneten
freischwingenden Doppelkolben, der zwei über eine Kolbenstange (4) miteinander
verbundene und in entsprechenden Brennkammern (5) des Arbeitszylinders (2)
beweglich angeordnete Kolben (3) umfaßt, und mit einem Lineargenerator (12), der eine
im Bereich der Kolbenstange (4) stationär angeordnete und diese umgebende
Spulenwicklung (14) umfaßt, in der bei Schwingen des Doppelkolbens (3) eine
elektrische Spannung induziert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulenwicklung (14) an der Innenseite eines in den Arbeitszylinder (2) eingesetzten Generatorzylinders (13) angebracht ist, und
daß an der Kolbenstange (4) zwischen den beiden Kolben (3) mindestens ein Permanentmagnet (15) angebracht ist, der bei Schwingen des Doppelkolbens (3) axial in der Spulenwicklung (14) hin- und herbewegt wird.
daß die Spulenwicklung (14) an der Innenseite eines in den Arbeitszylinder (2) eingesetzten Generatorzylinders (13) angebracht ist, und
daß an der Kolbenstange (4) zwischen den beiden Kolben (3) mindestens ein Permanentmagnet (15) angebracht ist, der bei Schwingen des Doppelkolbens (3) axial in der Spulenwicklung (14) hin- und herbewegt wird.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Generatorzylinder (13) aus Keramik, Kunststoff oder Metall gefertigt ist.
3. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Kolben (3) des Doppelkolbens axial innen in den entsprechenden
Brennkammern (5) des Arbeitszylinders (2) angeordnet sind.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Brennkraftmaschine (1) als Direkteinspritzermotor ausgestaltet ist, und daß jede
Brennkammer (5) jeweils mindestens einen Einlaß (7) für einen Brennstoff, ein
Zündmittel (8) zum Zünden des Brennstoffes in der entsprechenden Brennkammer (5)
und einen Auslaß (9) zum Abführen des verbrannten Brennstoffes aufweist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kolben (3) aus einem nicht-permanentmagnetischen Material gefertigt sind.
6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Breite der Spulenwicklung (14) in etwa der Breite des Permanentmagneten (15)
entspricht.
7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser des Generatorzylinders (13) in etwa dem Durchmesser des
Arbeitszylinders (2) entspricht.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß
jede Brennkammer (5) der Brennkraftmaschine (1) ein Luftzufuhrventil (6) aufweist, um
durch Zuführen von Luft das Herausbewegen des entsprechenden Kolbens (3) aus der
Brennkammer (5) zu unterstützen.
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