DE3103432A1 - Lineare verbrennungskraftmaschine, die mit einem elektrischen lineargenerator eine baueinheit bildet - Google Patents

Description

Franz Pfister Mein Zeichen

8080 FUrstenf eldbruck VPA 81 P 8 5 0 2 DE

Lineare Verbrennungskraftmaschine, die mit einem elektrisehen Lineargenerator eine Baueinheit bildet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lineare Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Arbeitsmaschinen wie Pumpen, elektrische Generatoren und dergleichen, die mit linearen Verbrennungsmotoren angetrieben werden, sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Im wesentlichen wird davon ausgegangen, daß für die Stromerzeugung entweder herkömmliche Generatoren synchroner oder asynchroner Bauart verwendet werden können oder Spulenanordnungen mit einem Dauermagneten als aktiven Teil, der in die Spule eintaucht (DE-OS 24 59 203). Nach den physikalischen Grundsätzen kann mit einer derartigen Ordnung zwar elektrische Energie gewonnen werden, eine technische und wirtschaftliche Nutzung ist jedoch nur bedingt möglich.

Werden an dem bewegten aktiven Teil in der Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnete Dauermagnete für die Erregung verwendet - wie sie z.B. die Fig. 2 der DE-OS 27 13 548 zeigt - so sind bei höheren Leistungen noch größere Massen im aktiven Teil erforderlich. Bei einer derartigen Anordnung ist ferner eine Regelmöglichkeit der abgegebenen elektrischen Energie nicht möglich. Aus diesem Grund sind einfache Spulenanordnungen mit Dauermagneten im aktiven Teil, die im Bewegungsablauf in eine Spule eintauchen für eine technische Nutzung ungeeignet.

Nr 2 Ts / 26.01.1981

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Herkömmliche Generatoren, z.B. synchroner Bauart, erfordern, um die abgegebene elektrische Energie hinsichtlich Kurvenform und Regelbarkeit technisch nutzen zu können, ein regelbares Magnetsystem, das in der Regel im bewegten aktiven Teil angeordnet ist. Diese Anordnung erfordert aber verhältnismäßig große Massen im bewegten Teil und eine Verbindung über Schleifkontakte mit einer Erregerstromquelle.

Aus der DE-OS 26 54 629 ist eine Anordnung mit linearen Verbrennungsmotoren in Verbindung mit einem Generator bekannt, bei dem ein zur Erzeugung eines Erregerfeldes dienender Elektromagnet im Stator und eine induzierende Wicklung auf dem bewegten aktiven Teil angeordnet ist.

Bei dieser Ausführung muß aber die abgegebene elektrische Energie über Schleifkontakte nach außen geführt werden.

Nach einer anderen in der vorgenannten DE-OS 27 13 548 (Fig. 3) beschriebenen Ausführungsform ist einem bewegten aktiven Teil aus Weicheisen ein mit einer Wicklung versehenes Eisenjoch zugeordnet, bei dem zwischen den Jochschuhen und Jochschenkeln Permanentmagnete angeordnet sind. Je nachdem , ob der bewegte aktive Teil aus Weicheisen zwischen den Polschuhen liegt oder außerhalb, ändert sich der magnetische Fluß, welcher die Spule durchsetzt und es wird dadurch in dieser eine Spannung induziert. Auch bei dieser Ausführung ist die Erregung nicht einstellbar.

Aus der DE-OS 26 00 054 sind Freikolbenmotoren bekannt, die zwei axial in einem Zylinder angeordnete und gegenläufig arbeitende Kolben aufweisen, die durch ein Luftpolster wieder zurückgeführt werden und dadurch eine Verdichtung bewirken. Diese Motoren weisen einen sehr schlechten Wirkungsgrad auf. Außerdem ist die Symmetrierung der Kolbenbewegung und das Starten einer derartigen Maschine schwer beherrschbar.

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Ferner sind Freikolbenmotoren mit Stufenkolben bekannt (VDI-Nachrichten Nr. 39, 26.09.1980, Seite 4) die einen Arbeits- und Vorverdichterzylinder für jede Schwingrichtung aufweisen und an deren Kolben Arbeitsmaschinen, die eine lineare Bewegungsrichtung zulassen, direkt angebaut werden. Durch den Anbau werden jedoch die bewegten Massen und damit die Fliehkräfte beträchtlich vergrößert, so daß den erreichbaren Schwingzahlen und damit der besseren Ausnutzung Grenzen gesetzt sind. 10

Antriebssysterae mit hohen linearen Schwingbewegungen und hoher Leistungsausnutzung setzen voraus, daß wegen der auftretenden Fliehkräfte die Massen der bewegten Teile gering sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, die bei möglichst kleiner bewegter Masse eine Steigerung der Wirkungsgrade der Verbrennungskraftmaschine und des mit ihm verbundenen elektrischen Lineargenerators ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Die erfindungsgemäße Baueinheit besitzt abgesehen von den freibeweglichen Überströmventilen nur ein bewegtes Teil, welches aus den beiden Doppelkolben und dem aktiven Teil des Lineargenerators besteht und mit sehr geringer Masse ausgeführt werden kann. Damit sind hohe Schwingzahlen bei geringen Fliehkräften realisierbar, wodurch das. Leistungsgewicht gegenüber bisher bekannten Anordnungen erheblich reduziert werden kann. Gegenüber den bekannten Ausführungen wird auch der Wirkungsgrad des Lineargenerators verbessert und die Erregung ist ohne Verwendung von Schleifkontakten einstellbar. Durch die erzielbaren hohen Wirkungsgrade im Verbrennungsmotor und Lineargenerator kommt man mit wesentlich geringerem

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Brennstoffverbrauch aus als herkömmliche Einrichtungen dieser Art.

Bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine •5 wird durch den Ansauß- und Vorvprdtchtungazyl Indor Brennstoff-Luftgemisch angesaugt und im nächsten Arbe.1 tsakt vorverdichtet. Mit sinkendem Explosionsdruck im Arbeitszylinder wird das vorverdichtete Brennstoff-Luftgemisch über freibewegliche Überströmventile in den Arbeitszylinder gedrückt, wodurch eine kräftige Spülung und bei hoher Schwingzahl eine kurze Verweildauer der heißen Gase im Verbrennungsraum erreicht wird. Durch das damit erreichbare hohe Temperaturgefälle und der raschen Gasausdehnung kann der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren wesentlich verbessert werden. Die geringe Masse des bewegten aktiven Teiles ermöglicht Schwingzahlen bis in den Bereich von 15.000 Schwingungen pro Minute, so daß ein Leistungsgewicht in der Größenordnung von etwa 1 kW/kg erreicht werden kann,

Der bei jedem Arbeltsakt hin- und herbewegte aktive Teil des Lineargenerators bewirkt eine Änderungen des den Lastwicklungen zugeordneten Luftspaltes und eine wechselnde Umfassung der Lastwicklungen durch das von der Erregerwicklung erzeugte Gleichfeld, so daß in den Lastwicklungen eine Spannung induziert wird, ohne daß das Gleichfeld der Erregerwicklung in seiner Richtung geändert oder unterbrochen wird. Damit wird die Grundsatzforderung auch hinsichtlich technisch anwendbarer Kurvenform und entsprechend hohem Wirkungsgrad erfüllt.

Der vom Lineargenerator abgegebene Strom kann als Mehrphasenstrom zur Erzeugung eines Wanderfeldes für lineare und rotierende. Asynchronmotoren verwendet werden. Damit wird ein Antriebsaggregat gebildet, das vielseitig einsetzbar ist, so auch vorteilhaft für den Antrieb von Kraftfahrzeugen.

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Die Baueinheit kann in jeder beliebigen Lage, vertikal oder horizontal betrieben werden. Zur Verminderung der Reibungsverluste ist jedoch ein vertikaler Betrieb zweckmäßig. Es ist vorteilhaft, mehrere z.B. vier Baueinheiten zusammenzufassen. Um Vibrationen zu vermeiden, sollten je zwei Kolben entgegengesetzt arbeiten.

Für den Betrieb der Verbrennungsmaschine ist flüssiger und gasförmiger Brennstoff verwendbar.

Anstelle des Generators können auch andere Arbeitsmaschinen, die eine lineare Betriebsweise zulassen, angeordnet werden, so z.B. Pumpen oder Verdichter für Wärmepumpen.

Da bei der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine hohe Abgasgeschwindigkeiten auftreten, kann zusätzlich Energie mittels einer Abgasturbine gewonnen werden und diese Energie beispielsweise auch zur Aufladung der Verbrennungskraftmaschine genutzt werden.

Der Lineargenerator kann bei entsprechender Speisung aus einer Stromquelle auch mit hohem Wirkungsgrad als Starter für die Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, was sonst bei linearen Verbrennungskraftmaschinen nur mit erheblichen Aufwand möglich ist.

Anhand der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. 30

Fig. 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit Lineargenerator und

Fig. 2 ein Antriebsaggregat, bei dem der von der Verbrennungskraftmaschine angetriebene Lineargenerator einen Asynchronmotor speist.

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In Fig. 1 ist ein Generator linearer Bauart dargestellt, der von einer zweiteiligen Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Die Verbrennungskraftmaschine besteht aus einem Arbeitskolben 1 für die Hinbewegung und einem Arbeitskolben 1a für die Herbewegung. Jedem Arbeitskolben 1,1a ist ein Ansaugvorverdichtungskolben 2 bzw. 2a zugeordnet, der mit dem Arbeitskolben 1,1a über eine Verbindungsstange 10 bzw. 10a verbunden ist.

Die Arbeitskolben 1,1a bewegen sich jeweils in einem Zylinder 3 bzw. 3a und die Ansaugvorverdichtungskolben 2,2a in den Zylindern 4,4a,die mit den Zylindern 3,3a hintereinander angeordnet und durch eine Trennwand 18, 18a getrennt sind. In jeder Trennwand 18,18a ist mindestens ein frei bewegliches Überströmventil 5 bzw. 5a angeordnet, das vom überdruck im Zylinder 3 bzw. 3a für die Arbeitskolben geschlossen wird.

In den Zylindern 4,4a befinden sich Ansaugöffnungen 6, 6a und in den Zylindern 3,3a Auslaßöffnungen 7,7a sowie Zündkerzen 8,8a. Der Raum 9,9a dient als Luftpolster zur Dämpfung der Fliehkräfte. Als Kriterium für das Erreichen der Endlage des bewegten Teiles sind Sensoren 16, 16a vorgesehen. Zur Wärmeabfuhr aus den Arbeitszylindern 3,3a dienen Kühlrippen 17,17a.

An die Ansaug-Vorverdichtungskolben 2,2a schließt sich über Verbindungsstangen 10,10a der aktive Teil 12 des Lineargenerators 11 an, so daß je ein Teil der Verbrennungskraftmaschine beidseitig des Lineargenerators angeordnet ist. Der aktive Teil 12 besitzt Pole 12a,12b, die über einen magnetischen Rückschlußkörper verbunden sind und sich im Stator 13 hin und her bewegen. Dabei ist die Länge des aktiven Teiles 12 kleiner als die Länge des Stators 13. Der Stator 13 enthält eine Erregerwicklung 14 und Lastwicklungen 15 in Mehrphasenschaltung. Der

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aktive Teil 12 des Lineargenerators und der Stator 13 sind aus lameliiertem Blech aufgebaut.

Die Erregerwicklung 14 und Lastwicklungen 15 sind als Zylinderspulen ausgeführt und in Nuten des Stators 13 derart untergebracht, daß ihre Achsen mit der Achse des bewegten aktiven Teils 12 fluchten. Dabei sind die Lastwicklungen symmetrisch zu beiden Seiten der Erregerwicklung angeordnet. Die Pole 12a,12b sind koaxial zu den Lastwicklungen und der Erregerwicklung 14 angeordnet, wobei die Ebene der Lastwicklung während der Bewegung des aktiven Teils 12 immer zwischen den Ebenen der beiden Pole 12a,12b liegt. Zur kontinuierlichen Änderung des Erregerstromes in der Erregerwicklung, insbesondere von Null bis zu äinem Maximalwert, ist eine Stelleinrichtung 11a vorgesehen.

Für die Verbrennungskraftmaschine ergibt sich folgende Wirkungswei se:

Ausgangsstellung des beweglichen Teiles soll - wie Fig. 1 zeigt - die rechte Endlage sein. In dieser Lage ist das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder 3a verdichtet. Der Zylinder 3 ist entlüftet und über das Überströmventil 5 mit frischem Brennstoff-Luftgemisch gefüllt. Wird die Zündung über die Zündkerze 8a eingeleitet, so bewegt sich der bewegliche Teil in die linke Endlage. Dabei beginnt nach Schließer, der Auslaßöffnungen 7 die Verdichtungsphase, das freibewegliche Überströmventil 7 schließt und im Zylinder 4 entsteht ein Unterdruck. Mit Freigabe der Einlaßöffnungen 6 wird durch den kräftigen Unterdruck rasch Brennstoff-Luftgemisch angesaugt. Im Zylinder 3 ist die Verdichtungsphase erreicht und die Zündung kann erfolgen.

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Dabei steht der Kolben 1a in seiner linken Endlage und die Auslaßöffnungen 7a im Zylinderraum 3a sind geöffnet. Durch die rasch ausströmenden verbrannten Gase entsteht ein Unterdruck im Zylinder 3a. Durch die Bewegung in die linke Endlage hat sich im Zylinder 4a ein hoher Druck aufgebaut und das frische Brennstoff-Luftgemisch vorverdichtet. Der Überdruck im Zylinder 4a öffnet das freibewegliche Überströmventil 5a, so daß das Brennst off -Luftgemisch rasch in den unter Unterdruck stehenden Zylinderraum 3a gedrückt wird und dabei die restlichen verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung spült (Spülvorgang).

Durch Zündung der komprimierten Gase im Zylinder 3 wird der bewegliche Teil der Anordnung in die rechte Endlage bewegt.

Der beschriebene Vorgang wiederholt sich periodisch. Wirkungsweise des Lineargenerators:

Die im geblechten Stator 13 des Lineargenerators 11 angeordnete Erregerwicklung 14 wird mit in der Höhe einstellbarem Gleichstrom gespeist. Dadurch entsteht im Stator 13 ein magnetischer Gleichfluß § , der sich über die Luftspalte und die Pole 12a,12b des geblechten aktiven Teiles 12 schließt. Der magnetische Gleichfluß f umfaßt dabei einem Teil der Lastwicklungen 15. Bei einer Hin- und Herbewegung des aktiven Teiles 12 ändert sich der magnetische Gleichfluß räumlich, so daß die Lastwicklungen 15 vom Gleichfluß <j> abwechselnd umfaßt werden und in ihnen bei entsprechender Ausbildung der Pole 12a, 12b eine nahezu sinusförmige Wechselspannung induziert wird, dessen Frequenz von der Schwingzahl abhängig ist.

Da die in Mehrphasenschaltung verbundenen Lastwicklungen 15 zeitlich versetzt vom Magnetfluß umfaßt werden, gibt der Lineargenerator Mehrphasensρannung ab. Diese Mehr-

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Phasenspannung kann zur Erzeugung eines Wanderfeldes für lineare und rotierende Asynchronmotoren verwendet werden. Damit ist die Anordnung auch vielseitig als Antriebsaggregat einsetzbar, so auch für den Antrieb von Kraftfahrzeugen.

In Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung eines Antriebsaggregates dargestellt, bei dem vier Einzelanordnungen von linearen Verbrennungskraftmaschinen zu einer Einheit 19 zusammengefaßt sind. Die Arbeite- und Ansaugzylinder sind vertikal angeordnet und werden vertikal betrieben. Da hohe Abgasgeschwindigkeiten auftreten, kann die Abgasenergie zusätzlich genutzt werden. Dabei werden die Abgase von den einzelnen Verbrennungskraftmaschinen über Rohre 20 einer Abgasturbine 21 zugeführt, wobei darüberhinaus die Möglichkeit besteht, die Abgasturbine 21 über eine Welle 22 mit einem Elektromotor 23, insbesondere einem Asynchronmotor, direkt zu kuppeln und dadurch mechanische Leistung entweder von der Abgasturbine 21 oder vom Elektromotor 23 bzw. als Summe von beiden gleichzeitig abzugeben. Der Elektromotor 23 wird dabei über das Kabel 24 aus den Lineargeneratoren der Verbrennung skraftma schinen mit Mehrphasenstrom gespeist.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann bei Verwendung von beidseitig angebrachten Einspritzpumpen auch nach dem Prinzip eines Dieselmotors arbeiten. Dabei werden die Verbindungsstangen zur Betätigung der Einspritzpumpen entsprechend verlängert.

2 Figuren

9 Patentansprüche

	Bezugszeichenliste	1a	Arbeitskolben
	1,	2a	Ansaug-Vorverdichtungskolben
	2,	3a	Arbeitszylinder
	3,	4a	Ansaug- Vorverdichtungszylinder
	4,	5a	Überströmventil
	5,	6a	Ansaugöffnungen
	6,	7a	Auslaßöffnungen
13	7,	8a	Zündkerzen
-OA- VPA 8t P 85 0 2 DE	8,	9a	Raum
9,	10a	Verbindungsstangen
10,		Lineargenerator
11		Stelleinrichtung
11a		aktiver Teil des Lineargenerators
12	,12b	Pole
12a;		Stator
13		Erregerwicklung
14		Lastwicklungen
15	I6a	Sensor
16,	17a	Kühlrippen
17,	18a	Trennwand
18,		Einheit
19		Rohre
20		Abgasturbine
21		Welle
22		Elektromotor
23		Kabel
24		magnetischer Gleichfluß

Claims (9)

1. Patentansprüche /

   Lineare Verbrennungskraftmaschine, die mit einem elektrischen Lineargenerator (ti) eine Baueinheit bildet, bei der ein erster In einem Zylinder (3) angeordneter Arbeitskolben (I)₁ Insbesondere nach dem herkömmlichen Zweitakt-DurchspÜlverfahren, eine Hinbewegung und ein zweiter in einem Zylinder (3a) angeordneter Arbeitskolben (1a) eine Herbewegung eines aktiven Teiles (12) des Lineargenerators bewirkt, dadurch gekennzeichnet , daß die Arbeitskolben (1,1a) mit je einem Ansaug-Vorverdichterkolben (2,2a) verbunden sind, mit diesem und einem leicht ausgebildeten aktiven Teil (12) des Lineargenerators (11) eine bewegliche Einheit bilden und sich In den zugeordneten Arbeits- bzw. Ansaugzylindern (313a bzw. 4,4a) dadurch hin- und herbewegen, daß im Ansaug-Vorverdichtungszylinder (4 bzw. 4a) Brennstoff-Luftgemisch.angesaugt, vorverdichtet und sobald de bald der Explosionsdruck im zugeordneten Arbeitszylinder (3 bzw. 3a) abnimmt, über ein freibewggliches Überströmventil (5 bzw. 5a) in den Verbrennungsraum des Arbeitszylinders (3 bzw. 3a) gedrückt, dort verdichtet und zur Explosion gebracht wird, daß der aktive Teil (12) des Lineargenerators (11) derart ausgebildet ist, daß durch seine Hin- und Herbewegung im Stator (13) angeordnete Lastwicklungen (15) zeitlich versetzt von einem magnetischen Gleichfluß (f ) umfaßt werden und damit eine Flußänderung (d f /dt) bewirkt wird, so daß in den Lastwicklungen ( 15) eine Spannung induziert wird, ohne daß der magnetische Gleichfluß (§ ) in seiner Richtung geändert oder unterbrochen wird.
2. 2. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Teil der Verbrennungskraftmaschine beidseitig des Lineargenerators (11) angeordnet ist, dessen aktiver Teil (12)

   W 25

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   mit den Ansaug-Vorverdichtungskolben (2,2a) und den Antriebskolben (1,1a) über Verbindungsstangen (10,1Oa) verbunden ist.
3. 3. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (13) des Lineargenerators (11) aus lameliierten Blechen besteht, in dem die Erregerwicklung (14) und die Lastwicklungen (15) als Zylinderwicklungen in Nuten derart untergebracht sind, daß ihre Achsen mit der Achse des bewegten aktiven Teils (12) fluchten.
4. 4. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwicklungen (15) symmetrisch zu beiden Seiten der Erregerwicklung (14) angeordnet sind.
5. 5. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der linear bewegliche aktive Teil (12) des Lineargenerators (11) durch mindestens zwei koaxial zu den Lastwicklungen (15) angeordnete und miteinander über einen magnetischen Rückschlußkörper verbundene Polkörper (12a,12b) gebildet ist.
6. 6. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pole (12a,12b) des aktiven Teiles des Lineargenerators (11) so ausgebildet sind, daß die abgegebene Spannung sinusförmig ist und eine Stelleinrichtung (11a) zur kontinuierlichen Änderung des Erregerstromes in der Erregerwicklung (14), insbesondere von Null bis zu einem Maximalwert, vorgesehen ist.

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7. 7. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Arbeits- und Ansaug-Verdichtungszylinder (3,3a; 4,4a) vertikal angeordnet und betrieben werden.
8. 8. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß sie mit einem linearen oder rotierenden Elektromotor (23) ein Antriebsaggregat bildet, bei dem der Lineargenerator (11) den insbesondere als Asynchronmotor ausgebildeten Elektromotor (23) speist.
9. 9. Lineare Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromtor (23) mit einer von den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine gespeisten Abgasturbine (21) ge kuppelt ist.