DE69202460T2

DE69202460T2 - Magnetische einrichtung zum umwandeln einer hin- und herbewegung in drehbewegung.

Info

Publication number: DE69202460T2
Application number: DE69202460T
Authority: DE
Inventors: Pier Andrea Agno Rigazzi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2012-06-30
Also published as: EP0593545A1; CH683217A5; EP0593545B1; WO1993001647A1; CA2111203A1; ES2071506T3; CA2111203C; DK0593545T3; AU661009B2; JP3179488B2; US5415140A; DE69202460D1; ATE122508T1; BR9206217A; JPH07502158A; AU2194192A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das, soweit sein Erfinder weiß, konzeptionell neu ist. Auf der Grundlage seiner Studien über die Dynamik magnetischer Elemente versuchte er, mittels der Erfindung ein System zu schaffen, das verschiedene Verwendungen finden kann, z.B. für Kraftfahrzeugmotoren, Industriefahrzeugmotoren, allgemeiner für Antriebe und z.B. für elektrische Stromgeneratoren.
Die für die Verwirklichung des obigen Verfahrens ausgelegten Vorrichtungen, die ebenso zum Gegenstand der Erfindung gehören, schaffen wichtige und, bei gegebener Neuheit des Konzepts, außergewöhnliche Vorteile, die in der folgenden Beschreibung erläutert werden.
Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Bewegen eines ersten Elements oder einer ersten Gruppe von Elementen längs einer Bahn durch Hin- und Herbewegen eines zweiten Elements oder einer zweiten Gruppe von Elementen längs einer weiteren, zur obengenannten ersten Bahn nicht parallelen Bahn, wobei die Kräfte durch die Wechselwirkung der Magnetfelder zweier Permanentmagneten oder zweier Gruppen von Permanentmagneten, die an den Elementen bzw. an den Gruppen von Elementen befestigt sind, ohne mechanische Verbindung und ohne Kontakt zwischen den beiden Elementen oder Gruppen von Elementen entstehen.
Genauer ist der Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Bewegen eines ersten Elements, das eine erste Gruppe von Permanentmagneten derselben Polarität trägt, längs einer kreisförmigen Bahn durch Bewegen eines zweiten Elements oder mehrerer zweiter Elemente, die eine zweite Gruppe von Permanentmagneten tragen und keine mechanische Verbindung mit dem ersten Element aufweisen, durch Hin- -und Herbewegen längs einer geradlinigen Bahn, die quer zur kreisförmigen Bahn verläuft, wobei das erste Element ein Magnetorotor ist, der mit einer Antriebswelle verbunden ist und die Permanentmagneten trägt, die längs seines äußeren Umfangs befestigt sind, wobei sich das erste Element in einer Drehbewegung um eine Achse bewegt, die zu der Ebene, in der die Permanentmagneten des zweiten Elements radial verteilt sind, senkrecht ist und durch den geometrischen Mittelpunkt der Umfangslinie verläuft, wobei das zweite Element oder die mehreren zweiten Elemente, deren Permanentmagneten um den geometrischen Mittelpunkt verteilt sind, der ersten Gruppe von Permanentmagneten zugewandt sind und mit dem (den) Kolben, der (die) auch Pulsor(en) genannt werden kann (können), eines Verbrennungsmotors sowie mit Energierückgewinnungsmitteln mechanisch verbunden sind, die durch die Auswärtsbewegung der Kolben infolge der Gasverbrennung und -expansion komprimiert werden und sich während der Rückkehr- und Kompressionsphase des Motors hin und her bewegen, gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des beigefügten Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Vorrichtung zur Durchführung des obengenannten Verfahrens gemäß den beigefügten Anspruch 4.
Eür eine langandauernde Wirksamkeit mußten die Magneten selbstverständlich "stabilisiert" werden, wobei ihre Temperatur durch geeignete Mittel unterhalb einer vorgegebenen Grenze, die von deren Zusammensetzung abhängt, gehalten werden müssen.
Ein in gewisser Weise ähnliches Verfahren ist in der Patentanmeldung EP-A-0 152 252 offenbart, jedoch sind Anordnung und Bewegung der verschiedenen Teile unterschiedlich und es werden einander abstoßende Magneten verwendet, was ein Erreichen der gleichen Ergebnisse, die von der vorliegenden Erfindung geschaffen werden, physikalisch ausschließt, insbesondere was den mechanischen Wirkungsgrad angeht.
Auch im Patent US -A-3 992 132 ist ein weiteres Verfahren beschrieben, bei dem Magneten verwendet werden, um eine Drehbewegung in eine Hin- und Herbewegung umzuwandeln, bei der gegebenen Montageart der Teile und der Orientierung der Magneten ist es jedoch unmöglich, das Verfahren zur Durchführung der umgekehrten Umwandlung einer Hinund Herbewegung in eine Drehbewegung zu verwenden.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen:
- in Fig. 1a, 1b, 1c, 1d eine Folge von Stellungen zweier an zwei Magneten befestigter Elemente während der Bewegung, die mittels des Verfahrens der Erfindung erhalten wird;
- in Fig. 2 die Anwendung des Verfahrens auf zwei Gruppen von Magneten, von welchen eine am äußeren Umfang eines aus einem nichtmagnetischen Material gefertigten Drehzylinders befestigt ist;
- in Fig. 3 den Querschnitt einer Ausführungsform, die dafür ausgelegt ist, das Verfahren der Erfindung in Verbindung mit einem Paar von Sechszylindermotoren des Typs "Umkehr-Sternmotor" zu verwirklichen;
- in Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit einem Einfach-Sternmotor und Doppelzylinder;
- in Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiter möglichen Ausführungsform mit einem Motor und einem dreifachen Drehzylinder;
- in Fig. 6 einen möglichen Weg, die Magneten, die an den Elementen befestigt sind, die die Vorrichtung der Erfindung bilden, welche an einen umgekehrten 6-Zylinder- Sternmotor gekoppelt ist, geeignet anzuordnen und aus zurichten;
- in Fig. 7 eine schematische Darstellung, die sich auf nur einen Magneten, der von einem Kolben hin und her bewegt wird, einen Magneten des ersten Drehzylinders sowie einen Magneten eines in den ersten Magneten integrierten zweiten Drehzylinders bezieht;
- in Fig. 8 eine Skizze, die die ausgewogene Kraftverteilung für gleichzeitige Explosionen in vier Zylindern erläutert;
- in Fig. 9 eine schematische Draufsicht einer Vorrichtung, die an einen Sechszylindermotor gekoppelt ist, dessen Zylinderachsen bezüglich der Außenfläche der Magneten 1i des Drehzylinders (Magnetorotor)geneigt sind;
- in Fig. 10 einen Schnitt durch den Motor entlang einer Ebene parallel zur Zeichenebene, der die Achse eines Kolbens oder Pulsors umfaßt: um die Teile deutlicher zu zeigen, wurde auch ein Spülluft-Kompressionszylinder dargestellt, obwohl dieser unterhalb der Ebene angeordnet ist;
- in Fig. 11 der genaue, für die komprimierte Spülluft vorgeschlagene Weg;
- in Fig. 12 eine Einzelheit, die den Verbrennungs- und Zündbereich darstellt;
- in Fig. 13 eine Darstellung eines Motors mit ebenso vielen Zylindern wie längs eines Umfangs des Magnetorotors Magneten angeordnet sind;
- in Fig. 14 den zwischen zwei übereinanderliegenden Magnetorotoren eingesetzten Motor;
- in Fig. 15 zwei Motoren, die mittels eines Bewegungsinvertierers mechanisch "in Reihe" verbunden sind;
- in Fig. 16 die Bahnkurven bezüglich des Magnetorotors, denen die Mitte eines Magneten oder eines sich zusammen mit einem Pulsor bewegenden, ferromagnetischen Elements folgt;
- in Fig. 1? die Seitenansicht eines Längsschnitts des mechanischen Energierückgewinnungssystems mit variablem Abstand zwischen den Federn und einer festen Struktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- in Fig. 18 die Bahnen, die mit dem bzw. ohne das obengenannte Energierückgewinnungssystem erhalten werden können.
Mit Bezug auf die Fig. 1a, 1b, 1c, 1d: Aus der Physik ist bekannt, daß Magnetfelder wirbelfrei sind, d.h. in diesem Fall, daß die Energie, die vorn Magnetfeld zweier ferromagnetischer Gegenstände, wovon wenigstens einer magnetisiert ist, bei irgendeiner Bewegung längs einer geschlossenen Linie innerhalb dieses Feldes abgegeben oder "absorbiert" wird, gleich Null ist. (Dies gilt auch, wenn sich diese Linie im Unendlichen schließt).
Magnetische Elemente 1 und 2 (die sich nur längs der Linien x bzw. y bewegen können) verlieren aufgrund ihrer gegenseitigen Anziehung während ihrer gleichzeitigen Bewegungen von A nach U und von B nach O eine Menge an Energie, die genau der Energie entspricht, die eine äußere Kraft z.B. am Element 2 verrichtet, um dieses über die Extremgrenze des Magnetfeldes zurückzuziehen.
Mit anderen Worten, wenn in Fig. 1a Magneten 1 und 2, die sich nur längs der Linien x bzw. y bewegen können, in einen Abstand gebracht werden, der klein genug ist, um ihre wechselseitige Anziehung auszulösen, ziehen sie sich aufgrund des zugehörigen Magnetfeldes gegenseitig an und werden längs der Linien x bzw. y beschleunigt, so daß sie kinetische Energie aufnehmen und die in Fig. 1b gezeigten Positionen erreichen; zu diesem Zeitpunkt, d.h. unmittelbar bevor ihre Magnetachsen übereinanderliegen und sich ihre Pole überdecken, kann, wenn der Magnet 2 durch eine äußere Kraft F längs der Linie y plötzlich vertikal weggezogen wird, so daß die Pole vor einer Bremswirkung, die Magnet 2 auf Magnet 1 ausübt, wenn sich letzterer weiter bewegt und beide sich noch in der Position der Polüberdeckung befinden, sehr schnell getrennt werden, erreicht werden, daß sich Magnet 1 und ein eventuell daran befestigtes Element längs einer Linie x mit der kinetischen Energie weiterbewegen, die sie bis zu diesem Zeitpunkt aufgenommen haben (Fig. 1d).
Selbstverständlich kann der obenbeschriebene Ablauf unendlich oft mit einem anderen Magneten 1i wiederholt werden, der zum gleichen Zeitpunkt in das magnetische Anziehungsfeld eintritt, zu dem eine Feder 8 oder ein ähnliches Energierückgewinnungsmittel den Magneten 2 zurückbringt.
Wenn dann die Magneten 1i, die aneinanderstoßen oder gleich beabstandet sind, entlang des äußeren Umfangs eines (offensichtlich aus nichtmagnetischem Material gefertigten) Zylinders 3 in Fig. 2 befestigt sind und eine bestimmte Anzahl von Magneten 2i, die alle wie oben beschrieben mit einem Energierückgewinnungsmittel 8 versehen sind, radial um diesen Zylinder angeordnet sind, ist es mit einem geeigneten Zeitablauf für die Wirkung der Kräfte F auf jeden Magneten 2 möglich, den Magnetorotor, d.h. den Drehzylinder 3, aufgrund der von den Magneten 11 ausgeübten Zugwirkung auf diesen Zylinder zu bewegen.
Das Konzept ist auch dann vollständig gültig, wenn viele Gruppen von Magneten 1i und 2i wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt (übereinander) gestapelt werden.
Um die Kräfte F auf die Magneten 2i auszuüben, ist es z.B. möglich, diese mechanisch mit den Kolben eines oder mehrerer Verbrennungsmotoren des Typs "Umkehr- Sternmotor", vorzugsweise Zweitaktmotoren 6, 6 , zu verbinden, wodurch die von den Verbrennungsmotoren zugeführte Energie in kinetische Energie, die momentane mechanische Energie des Magnetorotors 3 und der starr damit verbundenen Welle 7, umgewandelt wird.
Die bei jeder Verbrennung zugeführte Energie, die die vom Magnetorotor 3 entzogene Arbeit übersteigt, wird dem Kolben durch Energierückgewinnungsmittel wie z.B. Federn 8 zurückgegeben und wirkt bei der Komprimierung im Zylinder für den folgenden Zyklus mit, wie später genauer beschrieben wird.
Um das Volumen einer Vorrichtung mit gegebener Leistung zu verringern, ist es günstig, die entlang jedes Umfangs angeordneten Magneten einander anzunähern, wobei es, um dies zu ermöglichen, ohne die Wirkung jedes Magneten durch die Wirkung weiterer benachbarter Magneten negativ zu beeinflußen, nützlich ist, ein geeignetes Bündeln der Vektoren der Magnetfelder der Magneten vorzusehen und an die Magneten auch Flußführungen 13 anzubringen, die aus Metallblech gefertigt und z.B. wie in Fig. 6 gezeigt geformt sind.
Fig. 6 zeigt ein mögliches Beispiel einer solchen Art der Anordnung der Magneten, die im folgenden weiter beschrieben wird, wobei die Achse des Magnetfeldes bezüglich der Stirnseiten der Magneten um einen gewünschten Winkel geneigt und eventuell um ein geeignetes Maß, das für benachbarte Magneten leicht unterschiedlich ist, seitlich versetzt ist, um die den Kurven der Teile eigentümlichen kleinen skalaren Bahnfehler zu korrigieren. Die Magnetflußführungen 13 besitzen eine zu dieser Achse parallele Wand, deren Richtung im wesentlichen parallel zur Relativbewegungsbahn der bezüglich der Magnetorotor-Magneten während des Annäherungstakts hin und her bewegten Magneten ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bewegungsachsen der Kolben 51 im wesentlichen parallel zu den Achsen der Magnetfelder der Magneten 1i (Fig. 9) oder allgemeiner nicht senkrecht zur Außenfläche des Magnetorotors.
Es ist zu beachten, daß unter anderem diese Flußführungen 13 die mit den einzelnen Magneten gekoppelte Induktion in den Bereichen erhöhen, die für das Funktionieren der für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung ausgelegten Vorrichtung wirksamer sind, wobei dieselbe in den übrigen Bereichen praktisch verschwindet, weshalb deren häufige Verwendung angebracht ist. Die gleiche Fig. 6 zeigt eine weiter verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung:
mittels geeigneter Verbindungsteile 14 sind mehrere aneinanderstoßende Magneten mit einem Kolben verbunden. Im Falle eines 6-Zylinder-Motors z.B. ist deren Anzahl gleich 1/6 der Gesamtzahl der entlang eines einzelnen Umfangs des Rotors 3 angebrachten Magnete.
Es können mehrere Reihen (10 in Fig. 4), die die genannte Anzahl an Magneten tragen, übereinander gestapelt sein. Wenn entlang eines Umfangs des Rotors z.B. 42 Magneten angeordnet sind, ist jeder Kolben mit 42/6 x 10 = 70 Magneten verbunden, was die Nutzung der durch die Verbrennung im entsprechenden Zylinder zugeführten Energie erlaubt.
Die Form, die Induktion, die Anzahl und die Abmessungen der Magneten können verändert werden, wobei es mehrere mögliche Wege gibt, die Felder zu bündeln und die Magneten an den verschiedenen Teilen anzuordnen; die nützlichsten Lösungen werden Fall für Fall mit der Prüfarbeit beschrieben.
Für die Konstruktion der Magnetorotoren und allgemeinerer Komponenten, die sich innerhalb der verschiedenen Magnetfelder bewegen, ist es selbstverständlich erforderlich, nichtmagnetische Materialien mit guter mechanischer Widerstandsfähigkeit zu wählen.
Eine Ausführungsform wie z.B. ein Propeller, der an einen oder an mehrere Verbrennungsmotoren gekoppelt ist, ist auch im Hinblick auf den Wirkungsgrad vorteilhaft. Um dies zu verstehen, ist es von Nutzen, das Energiegleichgewicht der Vorrichtung zu betrachten, wobei für ein einfacheres Verständnis wie in Fig. 2 gezeigt nur auf ein Paar von Magneten 1, 2 Bezug genommen wird.
Zuerst muß beachtet werden, daß bei den gegebenen Merkmalen der Vorrichtung die aufgrund von Reibung verloren gehende Energiemenge sehr klein ist.
Wie erwähnt, wird die potentielle Energie der beiden Magneten während ihrer gegenseitigen Annäherung zu kinetischer Energie der beiden Magneten, wobei jedoch allein die kinetische Energie des Magneten 1 den Rotor 3 zum Drehen bringt.
Die kinetische Energie des Magneten 2, sofern wie gezeigt mit einem Kolben eines Verbrennungsmotors verbunden, wird nicht vergeudet, da sie im Zusammenwirken mit dem Energierückgewinnungsmittel 8 während des Kolbenrücklaufhubes wie bereits erwähnt innerhalb des Zylinders vor der nächsten Zündung zur Kompressionsarbeit des Gases wird.
Die Kennlinie der magnetischen Anziehungskraft bezüglich des Abstands ist jedoch der Kennlinie einer "pseudoadiabatischen" Kompression ähnlich.
Ein geeigneter Weg, um den maximalen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erreichen, ist, den Einspritz- und Zündzeitablauf mittels allgemein bekannter Verfahren und Vorrichtungen bezüglich des Drehzylinders, seiner Drehzahl, der eingespritzten Kraftstoffmenge oder aller dieser Faktoren zusammen oder bezüglich anderer Faktoren, die vom Typ und der Funktionsweise der verwendeten elektronischen Steuervorrichtung abhängen, elektronisch auf die Stellungen der Magneten 2 (oder auch der daran befestigten Elemente) abzustimmen.
Durch dieses Vorgehen wird erreicht, daß der Flieh- und Rückkehrhub der Magneten 2i einem vorgegebenen Drehwinkel des Magnetorotors entspricht und daß vorgegebenen Bahnen gefolgt wird, um den günstigsten Arbeitszyklus der Magneten zu erhalten.
Zu Zwecken, die in den folgenden Teilen der Beschreibung genauer beschrieben werden, kann das elektronische Steuersystem auch die Bewegung eines (ebenfalls später genauer beschriebenen) Betätigungselements, das von einem Fahrer betätigt wird und eine gegebene Anzahl von Kolben "aktiviert", berücksichtigen.
Ferner ist es aus ähnlichen Gründen nützlich, gleichzeitig die eingespritzte Kraftstoffmenge bezüglich der Drehzahl des Magnetorotors 3 zu regeln.
Eine Stoppvorrichtung wie z.B. ein starrer Ring 23 (Fig. 3) stoppt die Magneten 2i vor einer Berührung der Magneten 1i, wenn innerhalb eines Zylinders ein zufälliges Kompressionsversagen auftritt.
Bei Betrachtung der Beschreibung bis zu diesem Punkt ist klar, daß ein Propeller, der aus dem Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, abgeleitet ist, keine Kurbelwelle oder Pleuelstangen benötigt. Somit ist es möglich, mittels der obenerwähnten fahrerbetätigten Vorrichtung, die an einen elektronischen Steuerkasten bekannten Typs angeschlossen ist, in Abhängigkeit von dem zu liefernden Drehmoment oder der Leistung sowohl die Einspritzung als auch die Zündung in einigen oder allen Zylindern zu veranlassen. Wenn dann vorgezogen wird (Anlaß für eine Verschlechterung des Geräuschpegels), die (bei der gegebenen niedrigen Geschwindigkeit und der Aufteilung des Zylinders schon sehr kleinen) Belastungen, die radial auf die Lager 16, 16' der mit dem Magnetorotor verbundenen Antriebswelle 7 wirken, vollständig zu eliminieren, ist es in einer Ausführungsform möglich, vorzusehen, daß z.B. in einem Sechszylinder-Sternmotor für fünf verschiedene Stellungen des fahrerbetätigten Elements (d.h. des Pedals) die Einspritzung und Zündung in keinem Zylinder, in zwei, drei, vier oder sechs Zylindern stattfindet, die geometrisch derart angeordnet sind, daß die resultierende Kraft, die durch die auf die Kolben wirkenden Radialkomponenten erzeugt wird, und ihr resultierendes Drehmoment um die Drehachse zu jedem Zeitpunkt gleich Null ist (Fig. 8). Je größer die Anzahl der Kolben, desto "sanfter" arbeitet die Vorrichtung. Wie bereits erwähnt, sind die Achsen der Kolben 5i nicht notwendigerweise senkrecht zur Fläche des Magnetorotors 3. Eine mögliche Lösung sieht Achsen vor, die bezüglich der Außenfläche der am Magnetorotor befestigten Magneten 1i (Fig. 9) geneigt sind.
Für normale Anwendungen wie z.B. Kraftfahrzeugmotoren kann es angebracht sein, alle Kolben mechanisch zu verbinden und/oder die verschiedenen Verbrennungskammern zu verbinden, um eine genaue und einfachere Synchronisierung unter denselben zu erreichen, wobei die kleinen Differenzen z.B. des mechanischen Verlusts aufgrund des Reibungseffekts bezüglich der verschiedenen Kolben nicht erhalten bleiben.
In diesem Fall arbeiten alle Kolben auf die gleiche Weise und gleichzeitig.
Durch vorsichtige Dimensionierung (z.B. mittels Kugellaufbuchsen 21) des Antriebs mit kleinstmöglicher Reibung der Magneten 2i, oder genauer der sie tragenden Teile (11), und ihres Verbindungssystems 22 zu den Kolben 5 (z.B. ein Kugelpunkt 22' in Fig. 4), ist einfach zu erreichen, daß die Kräfte, die durch die Gruppe von Magneten 2i, die an den Kolben befestigt sind, auf die Kolben wirken, keine Komponente aufweisen, die die Achsen der Zylinder schneidet, da sie rein axial sind, was die Reibung und die Überhitzung der Zylinderwände (in diesem Fall nur aufgrund des Drucks der Kompressions-Dichtringe) erheblich begrenzt, wodurch die Notwendigkeit der Schmierung dieser Zylinder und die Notwendigkeit des Ölschlagens erheblich oder vollständig verringert werden, mit offensichtlichen Vorteilen für Wirtschaftlichkeit und Umwelt. Um die Vorrichtung zu starten, reicht es aus, den Magnetorotor um einen kleinen Winkel bis zur Überdeckung von Referenzpunkten, die z.B. am Rotor bzw. am stationären Teil befestigt sind und vom Elektronikkasten zur Durchführung seiner Funktion verwendet werden, zu drehen. Nach der ersten Verbrennung läuft die Vorrichtung selbsttätig. Die Referenzpunkte sind in den Figuren nicht gezeigt. Es ist möglich, für den Startvorgang allgemein bekannte Einrichtungen wie z.B. einen Hebel vom "Getriebe"-Typ mit Untersetzungsgetriebe oder eine Riemen-Freilaufrad-Vorrichtung, die mit dem Rotor verbunden sind, oder andere ähnliche Lösungen, die in den Zeichnungen nicht gezeigt sind, zu verwenden. Im Bereitschaftszustand (wenn das Fahrzeug nicht fährt oder im Falle eines Kraftfahrzeugs das obenerwähnte Pedal in der Position 0 steht), ist der Propeller inaktiv und es findet keine Verbrennung statt.
Um den Ladestrom für die Batterien des Fahrzeugs, das die Vorrichtung gemäß der Erfindung trägt, zu erzeugen, reicht es aus, einen oder mehrere Magneten 10 an einem oder mehreren hin und her bewegten Elementen (eines dieser in Fig. 4 gezeigten Elemente ist eine Welle 11, die am Tragelement 14 der Magneten 2i, auch Cursor genannt, montiert ist) zu befestigen und ein oder mehrere Elemente 12 an einem oder mehreren Teilen der festen Struktur 20 zu montieren, wobei die Teile fähig sind, die durch die gegenseitige Annäherungs- und Entfernungsbewegung der Magneten 10 erzeugte Energie in elektrischen Strom umzuwandeln. Diese Elemente können einfache Induktionsspulen sein, an deren Endkontakten eine Wechselspannung abgegriffen werden kann, die, wenn sie mit bekannten Mitteln gleichgerichtet ist, den Ladestrom der Batterie oder der Batterien erzeugen kann.
Dies ist auch bei den niedrigen Werten der mit jedem einzelnen Magneten verbundenen magnetischen Induktion möglich, da dessen Veränderung sehr schnell ist und sich
deshalb auf die Spannung e=-dΦ/dt an den Endkontakten der erwähnten Spulen auswirkt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeigt die Verwendung von Kolben (Pulsoren) mit relativ großem Durchmesser und begrenztem Kompressionshub, der kleiner ist als der Abstand zwischen zwei zugewandten Magneten auf der Grenzlinie des empfindlichen Anziehungsfeldes.
Der offenbarte Propeller ist in vielen Fällen anwendbar; z.B. zu Antriebszwecken in Kraftfahrzeugen, Landwirtschafts-, Transport- und Industriefahrzeugen, gekoppelt an den Rotor von Hubschraubern und allgemeiner als Propeller für eine Welle wie z.B. die Welle eines motorgetriebenen Stromgenerators.
Das Verfahren der Erfindung und der daraus abgeleitete Propeller bieten z.B. im Bereich der Kraftfahrzeuge erhebliche Vorteile, sie beseitigen die Notwendigkeit vieler teurer, an einen Verbrennungsmotor gekoppelter Vorrichtungen wie z.B.:
Kurbelwelle mit zugehörigen Lagern und Buchsen;
Pleuelstangen mit zugehörigen Lagern, Bolzen, Buchsen etc.;
Freilaufrad: der Magnetorotor, geeignet dimensioniert, ist ein Freilaufrad "an sich";
Getriebe: da bei jeder Drehzahl das Drehmoment durch Aktivieren oder Deaktivieren einer vorgegebenen Anzahl von Kolben oder durch Regeln der Energie pro Zyklus und/oder durch Veränderung des Abstands zwischen den Federn 8 und den Cursoren 14 verändert werden kann, kann es ausreichen, ein einfaches Getriebe für Vorwärts- und Rückwärtsbewegung oder ein Getriebe mit weniger Gängen als herkömmliche Getriebe zu verwenden;
der Anlasser: der Startvorgang kann wie beschrieben manuell erfolgen;
der Wechsel- oder Gleichstromgenerator zum Aufladen der Batterie;
der Drehmomentwandler für Schwerlastfahrzeuge;
die vor kurzem entwickelte und verwirklichte Vorrichtung zum selbsttätigen Abschalten des Motors bei nicht bewegtem Fahrzeug;
das Schmiersystem für die Kolben und für den gesamten Motor;
das Kühlsystem: bei Sternmotoren mit den gegebenen niedrigen Temperaturen und Abmessungen der Wärmetauschflächen und mit dem gegebenen Freiraum innerhalb des Magnetorotors können ein darin montiertes schraubenlinienförmiges Profil 18 (Fig. 4) oder ähnlich angeordnete Rippen 19 (Fig. 3) für eine ausreichende Abkühlung genügend Luft durch die in den "Stegen" des Drehzylinders 3 ausgebildeten Löcher 3" fördern. Auch können die Stege als Kühlgebläse 3' (Fig. 3) wirken, wenn sie geeignet geformt sind.
Der sich ergebende spezifische Kraftstoffverbrauch ist sehr niedrig, wie später erläutert wird.
Das Gesamtgewicht des Propellers und aller notwendigen Teile wird erheblich verringert, wobei mit allen erzielten Vorteilen und insbesondere während des Stadtverkehrs die Umweltverschmutzung aufgrund des hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der relativ niedrig gewählten Betriebstemperaturen auf nahezu Null verringert werden kann.
All das erlaubt eine Verringerung der Anzahl der verwendeten Teile und der Montagezeit in einem solchen Maß, daß die Kosten eines Kraftfahrzeugs erheblich verringert werden können, oder daß es bei den gleichen momentanen Kosten möglich wird, optimalen Lösungen mehr Raum zu geben, die heutzutage aufgrund ihrer Kosten nicht eingesetzt werden, wie z.B. die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff, der für diese Vorrichtung sehr geeignet ist und nach Meinung des Erfinders eine einmalige positive Verbesserung bei der Bekämpfung der Umweltverschmutzung wäre, die versucht, die derzeit sehr schwierigen, daraus folgenden Probleme zu lösen, und gleichzeitig die Situation vieler Gebiete, die jetzt lange Trockenperioden erleiden, zu verbessern: wie bekannt, ist des Ergebnis der Verbrennung von Wasserstoff Wasserdampf (da es dank der Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht erforderlich ist, Stickoxide zu betrachten).
Gleichzeitig ist es mit dieser Vorrichtung möglich, das Verhalten und die Akustik, psychologisch wichtig, des Verbrennungsmotors beizubehalten.
Im Grunde ändert sich nichts, wenn aufgrund der Kosten und der erforderlichen Leistung statt zwei nur ein Verbrennungsmotor (Fig. 4 und 5), der oberhalb oder unterhalb des Magnetorotors montiert ist, verwendet wird, und wenn statt eines einfachen ein doppelter 3, 3' oder allgemeiner ein mehrfacher Magnetorotor, der Magneten mit der in der Fig. 4 gezeigten Ausrichtung trägt, verwendet wird, um eine Art von "Doppelwirkung" mit größerer Leistung zu erreichen, oder wenn außerdem die Anzahl der koaxialen Drehzylinder größer als zwei ist und mehr als ein System von durch die Kolben 5 betätigten Magneten vorhanden ist.
Bei der Dimensionierung des Magnetorotors muß beachtet werden, daß für zwei integrale, koaxiale Rotoren mit Umfangsgeschwindigkeiten gleich ωr&sub1; bzw. ωr&sub2; der Abstand zwischen benachbarten Magneten die Beziehung erfüllen soll:
p&sub1; : p&sub2; = r&sub1; : r&sub2;
wobei: p&sub1; = Abstand der Magneten auf Rotor 1.
p&sub2; = Abstand der Magneten auf Rotor 2.
r&sub1; = Rotorradius 1.
r&sub2; = Rotorradius 2.
Wenn der Leistungsverlust nicht betrachtet wird, ist es jedoch nicht unbedingt notwendig, daß beide Elemente 1i und 2i magnetisiert sind: einer von diesen, vorzugsweise 2i, kann einfach aus einem ferromagnetischen Metall gefertigt sein, wodurch die Propellerkosten weiter verringert werden.
Wie bereits erwähnt, können die Magneten geeignet ausgerichtet sein, wobei an ihnen Flußführungen 13 montiert sind oder nicht (siehe Fig. 6), und unterschiedlich beabstandet oder völlig zusammenhängend sein.
Ein weiterer zu erwähnender Vorteil ist die kleine Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Brüchen: es gibt wenige Teile, die sich berühren, und außerdem wird ein falscher Zeitablauf nur den Wirkungsgrad des Motors verringern, auch bis auf Null, jedoch ohne weitere Gefahren.
Eine Betrachtung des bei der Funktion der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorkommenden Energie-"Block"-Gleichgewichts ist interessant.
Durch die Bezeichnung:
ES die dem System zuzuführende Gesamtenergie;
E durch eine Verbrennung erzeugte Energie;
EC Energie für die Kompression im Zylinder;
LM für die Trennung der Magneten 2i von den Magneten 1i benötigte Gesamtenergie;
LM2 für das Gegenüberstellen der Magneten 2i gegen die am zweiten Magnetorotor 3 befestigten, abstoßenden Magneten benötigte Gesamtenergie;
LK vom mechanischen Energierückgewinnungssystem 8 geleistete Kompressionsarbeit;
Ly entlang der Achse y und somit den Kolben 5 durch Magneten 2i während ihres Annäherungs-Rückkehrhubes gegen die Magneten 1i zugeführte Energie;
Lx entlang der Achse x, d.h. entsprechend der Drehung des Magnetorotors, entnommene Energie;
und unter Beachtung, daß aufgrund der vorher erwähnten Gründe bezüglich der Energie die von den Magneten 1i und 2i verlorene potentielle Gesamtenergie LM gleich Lx + Ly ist, kann geschrieben werden:
ES = LM + LK
EC = LK + Ly
und mit elementweiser Subtraktion:
E = ES - EC = LM - Ly
d.h. mit Substitution
E = ES - EC = Lx
Bei Betrachtung der Kompressionsarbeit als wiedergewonnene Energie wird mit anderen Worten erreicht, daß die verbrauchte Energie E bis auf die Verluste aufgrund der (sehr kleinen) Reibung z.B. der Elemente 11 in den Buchsen 21 (Fig. 4) genau gleich der vom Magnetorotor entnommenen Energie ist (mit Ausnahme des thermodynamischen Wirkungsgrades).
Im Falle eines doppelten oder mehrfachen Magnetorotors ist es, falls die am zweiten Rotor 3' montierten Magneten vorhanden sind, notwendig, für ihre Gegenüberstellung gegen die Magneten 2i die Energie LM2 zuzuführen, wodurch die Leistung erhöht, jedoch die Wirksamkeit und die Lebensdauer der Magneten verringert wird. Die Möglichkeit der Verwendung abstoßender Magneten muß daher von Fall zu Fall genau untersucht werden.
Bei mehrfachen Magnetorotoren, jedoch nur mit anziehenden Magneten, bleiben die energetischen Argumente jedoch gültig und es werden größere Leistungen und Kompressionen erreicht.
Da sowohl das Verfahren gemäß der Erfindung als auch der zu dessen Verwirklichung ausgelegte Propeller vollkommen neu sind, ist offensichtlich, daß ein breites Spektrum an Modifizierungen und Verbesserungen möglich sind, um für unterschiedliche Anwendungen die besten Ergebnisse zu erzielen; die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten und in der Beschreibung erwähnten Ausführungsformen beziehen sich deshalb nur auf bevorzugte Beispiele und binden oder begrenzen nicht bezüglich des Gegenstandes der Ansprüche 1 und 4 und der davon abhängigen Ansprüche.
Es ist leicht zu verstehen, daß die Einstellungen der Vorrichtung für z.B. den Fall konstanter Leistung und Drehzahl wie z.B. bei Kopplung an einen Generator sehr einfach sind.
Für diesen besonderen Fall ist es bei diskontinuierlicher Funktion notwendig, die Vorrichtung mittels einer selbsttätigen Startvorrichtung bekannten Typs zu starten, welche den Magnetorotor 3 nur um einen kleinen Anfangsdrehwinkel drehen muß, ohne irgendeinen Kompressionszyklus zu bewirken.
Im folgenden wird der Verbrennungsmotor beschrieben, der am einfachsten für ein Ankoppeln eines oder mehrerer Magnetorotoren ausgelegt werden kann.
In den Fig. 10 und 13 wird der Kraftstoff mittels bevorzugter direkter elektronischer Einspritzung gemäß der im jeweiligen Moment erforderlichen Drehkraft oder Leistung in die Verbrennungskammern 9' einer ausgewählten Anzahl von Zylindern 9 eingespritzt.
Der Zeitablauf solcher Einspritzungen, deren Regelung und der Zündzeitpunkt, wenn nicht ein Diesel-Selbstzündzyklus vorliegt, werden alle wie erwähnt von einem elektronischen Steuerungssystem bekannten Typs geregelt, der Steuerkasten genannt wird und so programmiert ist, daß er fortlaufend verschiedene Parameter wie z.B. die Drehzahl des Magnetorotors 3 (sowie der daran befestigten Welle 7), dessen Winkelbeschleunigung und den Willen des Fahrers mißt, wobei der Wille als Typ eines Funktion verstanden werden kann: Beschleunigen oder Verzögern, was er durch Bewegen z.B. des Gaspedals, des Bremspedals oder anderer Antriebselemente bewirken will.
Ein solcher Steuerkasten 42 ist mit seiner gegebenen unbestimmten Art nur in Fig. 17 schematisch dargestellt.
Um seine Funktion auszuführen, kann er z.B. die Messungen der Relativstellungen, die von den am Magnetorotor 3 oder an der Welle 7 und an irgendeinem stationären Teil angeordneten Referenzelementen eingenommen werden, als Grundlage verwenden.
Die vom Kraftstoff bei einer Verbrennung freigesetzte Wärmeenergie und die Kompressionsenergie der Arbeit, die beide durch das Magnetfeld und durch die kinetische Energie des Kolbens 5 sowie der damit verbundenen Elemente aufgrund der Wirkung des Energierückgewinnungssystems 8 entlang der Annäherungsbahn zwischen den Magneten 1i und 2i geleistet werden, entfernen gemeinsam plötzlich die Magneten 1i und 2i voneinander, wobei diese einer der in Fig. 16 gezeigten Relativbewegungsbahnen folgen, die eine Neigung aufweist, welche in Abhängigkeit vom Verhältnis der Geschwindigkeit des Kolbens 5 längs seiner Achse zur Umfangsgeschwindigkeit der Magneten 1i des Magnetorotors und ebenso in Abhängigkeit von der Neigung der Kolbenachsen bezüglich der Fläche des Magnetorotors 3 erforderlich ist.
Die für eine schnelle Trennung der Magneten zu verrichtende Arbeit ist gleich der potentiellen Gesamtenergie des Magnetfeldes, wobei jedoch ein Teil derselben vom Magnetfeld im nächsten Zyklus in Form von Kompressionsarbeit wiedergewonnen wird.
Dies bedeutet, daß, wenn die Kraftstoffverbrennung dem Kolben 5 eine Energiemenge in vorgegebenem Maß größer als die Differenz zwischen der potentiellen Gesamtenergie und der wiedergewonnenen Kompressionsarbeit zuführt, der gleiche Kolben eine gewisse Menge an verbleibender kinetischer Energie gewinnt, was im folgenden Zyklus einen längeren Kompressionshub bewirkt. Wenn dagegen dem Kolben 5 eine Energiemenge zugeführt wird, die genau gleich der obengenannten Differenz ist, wird derselbe Kolben mit denselben Geschwindigkeiten bewegt wie im vorangegangenen Zyklus, wobei die Geschwindigkeiten hauptsächlich durch die Expansion des komprimierten Gases bestimmt werden (bei unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Magnetorotors 3).
Mit anderen Worten, die Verbrennungsenergie addiert sich zur Expansionsenergie des Gases, um dem System die Energie zuzuführen, die bei jedem Zyklus vom Magnetorotor 3 entnommen wird.
Sind die Massen aller mit dem Kolben während seiner Bewegung verbundenen Elemente (d.h. der daran befestigten Magneten 2i plus der Elemente 14, die diese tragen und mit dem Kolben 5 verbinden) sowie die Masse des gleichen Kolbens bekannt, ist es tatsächlich einfach zu bestimmen, wieviel Wärmeenergie benötigt wird, so daß der Kolben nach der Verbrennung und nach der Trennung der Magneten 1i und 2i längs der Richtung seiner Achse eine erforderliche Geschwindigkeit vp behält. In Fig. 16 wird bei gegebener Drehzahl und Umfangsgeschwindigkeit ωr des Magnetorotors 3 die Menge an Wärmeenergie (d.h. die Kraftstoffmenge) so geregelt, daß das erforderliche Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit ωr und vp erzeugt wird, derart, daß während der Trennungs- und Annäherungstakte der Magneten 2i bezüglich der Magneten 1i Relativbewegungsbahnen mit der bestgeeigneten Neigung erzeugt werden, um die magnetische Feldenergie in geeigneter Weise zwischen entnommener mechanischer Arbeit und Kompressionsarbeit in den Zylindern aufzuteilen und/oder um mechanische Arbeit im Drehsinn oder Gegendrehsinn zu erhalten.
In der vorliegenden Beschreibung sind sowohl die Elemente 1i als auch die Elemente 2i um der Kürze willen mit "Magnete" bezeichnet, wenn jedoch die erforderliche Leistung nicht groß ist, sind die Elemente 2i in Wirklichkeit einfache ferromagnetische Elemente, die eventuell aus dünnen, isolierten Metallblechen gefertigt sind, deren Achsen im wesentlichen parallel zu der Bahn sind, längs derer das Element 2i läuft, während die zugehörige Flußänderung den maximalen Wert erreicht.
Dies erlaubt kleinere Veränderungen der mit den Magneten 1i verbundenen magnetischen Größen B und H während ihrer Relativbewegung bezüglich der Elemente 2i, wobei selbst ohne eine Kühlwirkung eine längere Wirksamkeit der Magneten 1i gesichert wird. Als Folge davon werden die Kosten des Magnetorotors erheblich verringert.
Der eventuelle, geringe Verlust an permanentem Induktionsfluß der Magnete, der nach einer gewissen Einsatzdauer auftreten wird, kann jedoch am Ende dieser Zeitspanne wiederhergestellt werden, indem durch Spulen, die ständig um die Magneten 1i montiert sind und z.B. innerhalb einer harzähnlichen Tragschicht eingebettet sind, ein Gleichstrom geschickt wird; wobei solche Spulen normalerweise offen sind, während der Motor betrieben wird, um keine induzierten Magnetfelder zu erzeugen, die für die Dynamik und das Energiegleichgewicht des Motors ungünstig sind.
Der Cursor-Tragmagnet 2i, der sich selbst nur durch die Wirkung eines mechanischen Kontakts zusammen mit dem Kolben 5 bewegt, trifft während des auswärts gerichteten Hubes im Punkt B das Energierückgewinnungssystem 8 und läuft dann aufgrund des Verlustes seiner kinetischen Energie im Punkt C mit derselben kinetischen Energie (unter Nichtbeachtung der Energieverluste durch Reibung, die jedoch sehr gering sind) in die entgegengesetzte Richtung zurück, d.h., bei konstanten Massen, mit derselben Geschwindigkeit -vp (als Absolutwert) in die in Fig. 16 dargestellte Richtung.
Somit führt er einen nahezu geradlinigen Hub DE aus, wobei er gleichzeitig mit wachsender Intensität vom folgenden Magneten 1i angezogen wird und der mit diesem Magneten verbundene Pulsor mit der Kompression für den nächsten Zyklus beginnt.
Aufgrund der gleichzeitigen Wirkung der verbleibenden kinetischen Energie, des Magnetfeldes der Magneten 1i und des durch das im Zylinder enthaltene Gas bewirkten Kompressionswiderstandes folgt er dem Bahnabschnitt EF, während die erforderliche Kraftstoffmenge zum geeigneten Zeitpunkt und geeignet geregelt in die Verbrennungskammer 9' des Zylinders 9 eingespritzt wird, worauf der Kraftstoff wiederum zu einem geeigneten Zeitpunkt entzündet wird.
Eine solche Zündung zusätzlich zur Wirkung der Expansion des komprimierten Gases verursacht einen schnellen Druckanstieg im Zylinder, während sich der Pulsor im Punkt A befindet, wobei der Pulsor wie bereits erwähnt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit vp zurückgeschoben wird.
Für unterschiedliche Drehzahlen des Zylinders ist es möglich, geeignete Werte für vp zu wählen, so daß die im Hinblick auf die mechanische und energetische Wirksamkeit bestmöglichen Bahnen erhalten werden.
Die Bahnabschnitte für die Ansaug- und Spülphase sind nicht genau gezeigt, sie sind offensichtlich Abschnitte mit einem konstanten vp-Wert.
Für den Fall hoher Leistungen und Drehzahlen ist die eingesetzte kinetische Energiemenge groß und demzufolge werden große Kompressionsverhältnisse um 40:1 und mehr erreicht; um die Flächen der Kolben 5 nicht übermäßig zu vergrößern (wobei für jeden Magneten jedoch übereinander gestapelt mehr als ein Kolben vorhanden sein kann), ist es angebracht, Dieselkraftstoff oder ähnlich geeignete Essenzen als Kraftstoff zu verwenden.
Im Falle niedrigerer Kompressionsverhältnisse kann jede Art von Kraftstoff verwendet werden, vorausgesetzt, daß für die zeitrichtige Kraftstoffzündung Elektroden 33 (Fig. 12) eingefügt werden.
Die theoretische Erläuterung der Ergebnisse eines niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauchs, den ein Motor bietet, der gemäß der Erfindung betrieben wird, kann aus der Formel für den idealen thermodynamischen Wirkungsgrad ηid des Dieselzyklus als Referenzzyklus abgeleitet werden, wobei:
(In Wirklichkeit kann mit dem vorliegenden Motor für die gleiche Kraftstoffart theoretisch jede Art von Zyklus erhalten werden.)
wobei:
- τ' das Verhältnis zwischen End- und Anfangstemperatur der Verbrennung während der Phase mit konstantem Druck ist;
- x das Verhältnis zwischen den spezifischen Wärmen ist, das zur Orientierung zu 1,40 angenommen werden kann;
- p das Kompressionsverhältnis ist, das sich beim betrachteten Motor verändert;
Wie bereits in der Beschreibung erklärt, verändert sich p in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung, d.h. von der Rückkehrhublänge des Pulsors, wobei die entsprechend einem solchen Hub bei einem Zyklus verbrannte Kraftstoffmenge unterschiedlich ist und proportional zu der Gesamtarbeit ist, die zu leisten ist, um die Magneten 2i von den Magneten 1i zu trennen.
Die Luftmenge im Zylinder, die sich tatsächlich viel größer als die minimale stöchiometrische Menge ergibt, ist im Gegensatz dazu konstant. Als Folge davon verändert sich der Temperaturanstieg in einem Zyklus aufgrund der Verbrennung gemäß der entnommenen Leistung, wobei sich der Temperaturanstieg aufgrund der Kompression des Gases im Zylinder ähnlich verhält.
Angenommen, in einem theoretischen Fall wird die Luft mit einer Temperatur von 27ºC z.B. bei Maximalleistung angesaugt, so beträgt die Gastemperatur am Ende der Kompression (p = 9) ungefähr 433ºC, während Δt (Temperaturanstieg) aufgrund der Verbrennung (nur) 120ºC und die Endtemperatur 533ºC betragen; entsprechend gilt:
bei Maximalleistung: p = 9; τ' = 1,17; τ'x = 1,24;
Mit Substitution der genannten Größe in (K) folgt der Wirkungsgrad zu:
bei Maximalleistung: ηid = 0,58
Wie deutlich zu sehen ist, ist es mit einem Kompressionsverhältnis von p = 9 möglich, einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad zu erreichen als den maximalen Wirkungsgrad eines herkömmlichen Dieselmotors mit irgendeinem p unter besten Bedingungen.
Wird ferner beachtet, daß mit den relativ niedrigen, genannten Temperaturen die externen thermischen Verluste einfach verringert werden und die Spaltung von H&sub2;O und CO&sub2; stark eingeschränkt wenn nicht gleich Null wird, ist der thermische + thermodynamische Wirkungsgrad des betrachteten Motors einfach mit demselben Wirkungsgrad herkömmlicher Verbrennungsmotoren vergleichbar.
Weiter muß hinzugefügt werden, daß der mechanische + organische Wirkungsgrad des Motors vom Zylinder bis zum Getriebe im genannten Beispiel im Bereich zwischen 0,90 bis 0,92 angenommen werden kann, während derselbe Wirkungsgrad für einen Motor mit fester Geometrie und Kurbelwelle normalerweise nicht weit von 0,60 entfernt ist.
An diesem Punkt der Erläuterungen ist es nützlich, ein Beispiel für das schrittweise Entwerfen eines Motors gemäß der Erfindung zu beschreiben, der gemäß dem zugehörigen Verfahren arbeitet.
Zuerst wird die Neigung der Pulsoren bezüglich der Magnetorotor-Magneten festgelegt. (Z.B. 45º).
Aufgrund dieser Neigung ergeben ungefähr 68% der Gesamtarbeit LM der Magnetfelder die mechanische Arbeit, während die verbleibenden 32% die Kompressionsarbeit LC ergeben.
Wenn die Magneten getrennt werden, während sie dem Hub AB der Fig. 16 folgen, wird eine Extramenge an mechanischer Arbeit ΔE entnommen, die ungefähr gleich den 30% der Gesamtarbeit der magnetischen Felder ist. Es ist deshalb möglich, für den schrittweisen Entwurf die mechanische Gesamtleistung als im wesentlichen gleich der Gesamtfeldarbeit LM pro Sekunde zu betrachten.
Diese Arbeit wird wie folgt ausgedrückt:
LM = 1/ZFpn Δl q² p n
(Z ist ein numerischer Koeffizient, der zu 7 angenommen werden kann)
Wobei:
- Fpn die Gesamtanziehungskraft ist, die durch die mit einem Pulsor verbundenen Magneten ausgeübt wird und die ungefähr gleich 80% der theoretischen Kraft zwischen den Magneten bei Null-Abstand ist, da in Wirklichkeit zwischen den Magneten immer ein Zwischenraum von einigen zehntel Millimetern bleibt, selbst wenn sie so nahe wie möglich beieinander sind;
- Δl der Maximalabstand ist, bei dem die Anziehungskraft zwischen den Magneten "spürbar" ist, wobei eine solche Kraft z.B. gleich 1/200 der obenbeschriebenen Maximal kraft angenommen wird;
- q die Anzahl der am Magnetorotor-Umfang angeordneten Magneten ist;
- p die Anzahl der übereinanderliegenden Umfänge ist;
- n die Maximaldrehzahl des Magnetorotors ist, gemessen in Umdrehungen pro Sekunde;
Ist die zu entnehmende mechanische Leistung einmal festgelegt, wird, um die Motorzylinder zu dimensionieren, der Hub der Pulsoren bestimmt, der die Magneten veranlaßt, sich im wesentlichen bis zum obengenannten Grenzabstand der spürbaren Anziehung voneinander zu entfernen; z.B.:
Hub = 0 = 0,95 Δl 1,4
(der Koeffizient 1,4 kommt von der erwähnten Pulsorneigung und beträgt 1 / sin α )
Dann wird die Kraft bewertet, die auf die Pulsoren wirkt, um die Magneten mit einer Beschleunigung zu trennen, die ausreicht, so daß diese der in Fig. 16 gezeigten Bahn folgt. Um praktisch keine Bremskräfte zu erzeugen, muß die Fluchtlinie wenigstens schon im Punkt x senkrecht zum Magnetorotor sein, wobei dies nach einer sehr kurzen Zeitspanne mittels einer Pulsor-Geschwindigkeit vp ungefähr gleich der 1,5fachen Umfangsgeschwindigkeit des Magnetorotors erreichbar ist, wobei die Zeitspanne z.B. gleich der Zeitspanne einer tangentialen Relativbewegung von 1/6 + 1/10 ihrer Breite l angenommen werden kann.
Eine solche Zeitspanne beträgt z.B.:
t = 1/8 /ωr
während die resultierende Kraft, ohne Berücksichtigung kleinerer Differenzen wie folgt ausgedrückt wird:
F = ,
wobei m die Masse der Pulsoren plus die Masse aller damit verbundenen Elemente (Zapfen 11, 0ursor 14, Magneten 2i etc.) ist.
Ist diese Kraft gegeben, kann die "auswärtsgerichtete" Kraft SΔp abgeleitet werden, die das komprimierte Gas auch ohne die Hilfe der Verbrennung im Punkt A der maximalen Annäherung der Magneten auf den Pulsor ausüben muß (S = Pulsorfläche und Δp = Druckanstieg im Zylinder).
Mit Ausführung der Berechnungen wird nun deutlich, warum die Volumina der Zylinder viel größer sind als die dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechenden Volumina.
Aufgrund einfacher geometrischer Gründe ist eine solche Kraft SΔp:
SΔp = F + p
(was zu einer Überbewertung führt, da Fp aufgrund der Neigungen nicht seinen vollen theoretischen Wert besitzt).
Nachdem die Abmessungen des Kolbens (Pulsors) und der Druck im Zylinder berechnet worden sind, kann die adiabatische Expansionsarbeit Le längs des Hubes AB einfach berechnet werden:
Le = 1/K(0,95 1,4 Δ ) SΔp
(k wird in Abhängigkeit von p, konstantem Druck / oder volumenspezifischer Wärme cp, cv etc. angenommen.)
Während der Kraftstoffeinspritzung wird eine Menge desselben eingespritzt, um mit der Verbrennung im Zylinder eine Energiemenge zu erzeugen, die gleich der magnetischen mechanischen Arbeit für diesen Zyklus ist, d.h. gleich der magnetischen Gesamtarbeit pro Zyklus minus der magnetischen Kompressionsarbeit Lc, die die Pulsormagneten im folgenden Zyklus leisten werden, plus der genannten Extramenge an mechanischer Arbeit ΔEm.
Der vom Kraftstoff zugeführte Energie ist wie erwähnt im wesentlichen gleich der magnetischen Gesamtarbeit im Zyklus (bei Mißachtung des Wirkungsgrades).
Während des Hubes AB werden die Pulsoren durch die Expansionsarbeit Le des Gases minus der magnetischen Kompressionsarbeit getrieben, wobei sie im Punkt B eine verbleibende kinetische Energie Ev besitzen
Ev = Le - LC
Sind dieser Energiewert berechnet und die Masse m des Pulsors, Cursors etc. gegeben, ist die Pulsor-Endgeschwindigkeit, d.h. seine Geschwindigkeit zu Beginn der Kompression des entspannten Elements des Energierückgewinnungssystems, leicht berechenbar.
Vorausgesetzt, die kinematischen Fragen, die die Beziehung zwischen der Pulsorgeschwindigkeit und der entsprechenden Magnetorotor-Geschwindigkeit betreffen, sind richtig bewertet worden, werden die Zeitspannen der Pulsorhübe AB und EF einfach berechnet.
Durch Subtraktion dieser Zeitspannen von der von einem Magneten 1i auf seine Bewegung um eine Position verwendeten Zeitspanne wird die Zeitspanne erhalten, innerhalb dem die Kompression und die Expansion des erwähnten Energierückgewinnungssystems stattfinden müssen. Da die kinetische Energie Ev, die absorbiert und dann durch das System zurückgewonnen wird, bekannt ist, können die Einzelheiten desselben Systems leicht bestimmt werden; im Falle von Federn z.B. deren Maximalsatz, deren Steifigkeit usw.
Die obige Erklärung kann gemäß den Verfahren, die Fachleuten auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren wohlbekannt sind, an jede der unterschiedlichen Bedingungen der Magnetorotor-Geschwindigkeit, der entnommenen Leistung, Kompression etc., die geeignet auf den Zeitablauf der Einspritzung, der Zündung und des Verbrennungsschluß' des Kraftstoffs wirken, angepaßt werden, um diese vorzuziehen oder zu verzögern, so daß die günstigsten Bahnen erreicht werden.
Ist der Motor einmal wie oben erklärt dimensioniert, erreichen π, τ', τ'x und ηid infolgedessen die in dieser Beschreibung bereits erwähnten Werte, d.h. insbesondere id wird unter normalen Einsatzbedingungen im Bereich zwischen 0,50 und 0,75 liegen. Der Endwirkungsgrad wird für eine Motorleistung von 30 bis 1000 PS im Bereich zwischen 0,46 und 0,52 liegen.
Aus dem Gesagten wird deutlich, daß der den Gegenstand der Erfindung bildende Motor einen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweist, der viel niedriger ist als derjenige herkömmlicher Motoren, bei viel geringerer Umweltverschmutzung. Die Einzelheiten der Zündung und Verbrennung des Kraftstoffs sollten durch Fachleute des Motorenbereichs von Fall zu Fall bestimmt werden, wobei die neuen Situationen der Kompression und der Temperaturen zu beachten sind (die sich in Abhängigkeit von der verwendeten Leistung verändern), um für jede Einsatzbedingung den besten Arbeitszyklus zu erzielen.
Durch Kombination der aus der Erfahrung auf dem Gebiet der Nachbrenner und auch dem Gebiet der Vielstoffmotoren (Hesselman-Motor) vorhandenen Daten wird es möglich sein, für jeden einzelnen Fall die beste Lösung zu erhalten.
Eine erfolgreiche Lösung ist in Fig. 12 vorgeschlagen: der Kraftstoff wird von Einspritzvorrichtungen 43 direkt gegen Elektroden 33 gespritzt (wie bei Vielstoffmotoren), die der Kraftstoff nach Mischung mit einer vorgegebenen Luftmasse erreicht.
Diese Luft (die konzeptionell der Primärluft der Nachbrenner-Technik entspricht) wird von der Luft gebildet, die in der Vorkammer 44 zusätzlich zu der mit dem Kraftstoffstrahl über eine oder mehrere Luftleitungen (46) aufgrund des Venturi-Effekts "angesaugten" Luft enthalten ist.
Der Kraftstoff, der während der Durchquerung des Elektrodenbereichs verbrennt, überträgt während der ersten Stufe AX des "Flucht"-Hubes des Pulsors 5 wie erforderlich allmählich die Auswirkungen seines Druckanstiegs auf das im Zylinder 9 enthaltene übrige Gas (momentane Luft).
Es ist zu beachten, daß die obenerwähnte Vorkammer 44 im wesentlichen "selbstregelnd" ist: in dieser Vorkammer ist bei einem bestimmten Kompressionsverhältnis eine gegebene Luftmasse vorhanden, die sich mit der Kraftstoffmenge, die für die Trennung der im entsprechenden Abstand zur Kompressionsstufe befindlichen Magneten erforderlich ist, kombiniert: bei steigender Kompression nehmen gleichzeitig die zur Trennung der Magneten erforderliche Kraftstoffmenge und die Luftmasse zu, da sich diese näher sind als in der vorherigen Situation. Die Luftmasse wächst entsprechend der Kompressionskurve, während die Kraftstoffmenge in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den Magneten entsprechend der Anziehungskraft-Kurve wächst.
Mit dem allgemein verwendeten Bereich von Kompressionsverhältnissen 6 ≤ p ≤ 14 besitzt die letztere Kurve einen Verlauf ähnlich dem adiabatischen Kurvenverlauf, wobei die relativ kleinen Differenzen der unterschiedlichen Abstände zwischen den Magneten korrigiert werden können, indem die Stärke des in der Vorkammer erzeugten Gemisches geregelt wird, wobei die Kraftstoffmenge, die Zahl der Luftleitungen (46), der Einspritzdruck, das Vorkammervolumen oder alle diese Faktoren zusammen (sehr leicht) verändert werden. Entlang der Längsachse der Vorkammer können mehrere Elektrodenpaare angebracht sein, so daß es möglich ist, die Zündung auszulösen, wenn der Kraftstoff mit der erforderlichen Luftmenge vermischt ist. (Dieser Fall ist in den Zeichnungen nicht dargestellt).
Für den Fall sehr hoher Leistung, d.h. von relativ hohen Drehzahlen des Magnetorotors mit demzufolge hohen Werten an kinetischer Energie, die während des Rückkehrhubes des Pulsors 5 aufgewendet wird, kann ein Teil dieser Energie in weitere Luftkompressionsarbeit umgewandelt werden, die verwendet werden kann, um in einer oder in mehreren Stufen einer an die Welle 7 gekoppelten Turbine eine Luftexpansion zu bewirken.
Eine solche Lösung, die insbesondere für Schiffahrts- -oder Flugzeuganwendungen geeignet ist, ist in den Zeichnungen nicht dargestellt, da sie sich ein Fachmann des Motorengebiets leicht vorstellen kann.
Da der Motor ein Zweitaktmotor ist, ist es notwendig, das Auspuffgas zu spülen, um es zur Entladungsleitung 46 zu drücken, während sich der Pulsor 5 von der Verbrennungskammer 9, wegbewegt. Dies kann durch einen im wesentlichen querverlaufenden Druckluftstrahl bewirkt werden, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Ein solcher Strahl kann auf verschiedenen Wegen erzeugt werden, mit und ohne einen als Plenumkammer wirkenden Druckluftvorrat 32, mittels eines Kompressors, der mit der Antriebswelle verbunden ist oder der mit elektrischer Energie betrieben wird, welche z.B. von den Batterien des Fahrzeugs geliefert wird, in das der Motor eingebaut ist.
Ebenso besteht die Möglichkeit (Fig. 10), die Kompression mittels mehrerer Kolben 26 zu bewerkstelligen, die vorzugsweise parallel zu den Motorzylindern 9 angeordnet sind und von welchen einer oder mehrere durch eine Kupplung 45 mit einem Pulsor 5 verbunden sind, der sich zusammen mit den Kolben 26 bewegt.
Nach dem Ansaugen der Luft über den Kanal 27 komprimiert jeder dieser Kolben 26 dieselbe während des Rückkehrhubes bis zum Setzdruck eines Ventils 28, durch das das Gas mit einem vorgegebenen Druck in die Plenumkammer 32 eingelassen wird und anschließend durch das Einwegventil 25 und die Leitung 29 zum zugehörigen Zylinder 9 strömt.
Das letztere Ventil 25 ist für den Zyklus im Zylinder 9 nicht notwendig. Trotzdem kann dieses Ventil manchmal nützlich sein, um einen unangemessenen Spülluftverbrauch zu vermeiden, indem es z.B. für den Fall geschlossen wird, daß der gesamte Auswärtshub des Pulsors erheblich größer ist als der Expansionshub. Ein solcher Fall wird später beschrieben. Die Form des Querschnitts, dessen Fläche und der nutzbare Hub solcher Kolben 26 kann entsprechend der erforderlichen Druckluft-Strömungsrate verändert werden. Die vorher erwähnte Kompression kann während des Rückkehrhubes des Pulsors 2 bewirkt werden, wie in Fig. 10 dargestellt ist, oder während dessen Auswärtshub (in den Zeichnungen nicht dargestellter Fall).
Dieses System ist besonders für die vom Erfinder bevorzugte Ausführungsform für nicht zu große Leistungen geeignet, bei der längs eines äußeren Umfangs des Magnetorotors 3 genau soviele Zylinder wie Magneten befestigt sind.
Da die Kolben durch einfache, vorzugsweise hohle Wellen ersetzt werden können, die Druckdichtungsringe 31 tragen, sind die Kosten für die Teile so gering, daß die Verwendung der Volumenkompressionskolben vorteilhaft ist, vorausgesetzt, daß deren Verwendung keine unannehmbaren Veränderungen der Bahn der Magneten 2i verursacht.
Andernfalls kann ein alternatives, unabhängiges Luftkompressionssystem verwendet werden, das sowohl elektrisch als auch mechanisch mit der Antriebswelle 7 oder einer abzweigenden Sekundärwelle verbunden sein kann.
Eine Ansicht des Motors ist in Fig. 13 gezeigt.
Bei dem großen auf den Tragrahmen übertragenen Drehmoment (die maximale Drehzahl für übliche Anwendungen ist nicht größer als 6 - 10 Umdrehungen pro Sekunde), ist es nützlich, die erforderliche Leistung mittels zweier entgegengesetzt rotierender Motoren, die mechanisch parallel oder über eine bekannte Drehrichtungsumkehrvorrichtung 35 in Fig. 15 in Reihe geschaltet sind, durch zwei zu teilen.
Um die Belastungen der Elemente 14 (Cursoren), die die Magneten 2i tragen, und somit deren Masse und die zugehörige Trägheitskraft zu verringern, sieht der Erfinder vor, jeden Motor zwischen zwei halbe Magnetorotoren einzusetzen (Fig. 14). Einer solchen Lösung dienen auch die Buchsen 21 (Fig. 4), durch die die Tragwellen 14 der Cursoren laufen, besonders für den Fall eines einzelnen Magnetorotors, wie in der erwähnten Fig. 14 gezeigt ist.
Zur Abkühlung in den Fällen höherer Leistung ist es möglich, zwischen den beiden Gehäusen, die zwei benachbarte Zylinder enthalten, einen Zwischenraum zu lassen. Damit wird die äquivalente Austauschfläche mehr als verdreifacht.
Selbstverständlich werden an den Zylindergehäusen angebrachte Kühlrippen den Wärmeaustausch weiter verbessern. In anderen Fällen können geeignet ausgerichtete Luftströmungen verwendet werden, wobei diese durch die Fahrzeugbewegung oder durch Kühlgebläse erzeugt werden können. Für den Fall sehr großer Leistung, wenn das Luftkühlsystem nicht ausreicht, könnte der Motor einfach mittels eines Wärmeübertragungsfluids gekühlt werden, das innerhalb ringförmiger oder andersartig geformter Mäntel zirkuliert, die um die Zylindergehäuse montiert sind. Eine solche Lösung ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
In den meisten Fällen treten keine Platzprobleme auf, da die Magnetorotoren Magneten 1i tragen, die wenigstens mit 50 bis 70% ihrer Breite beabstandet sind, um Beeinflussungen zwischen den Magnetfeldern zu vermeiden. Um den ganzen Motor 6 sind zwischen zwei benachbarten Cursoren 14, die eine bestimmte Anzahl übereinandergelegter Magneten tragen, mehrere Zwischenräume vorhanden. Für den Fall, daß die Magneten 1i durch die Wirkung der daran befestigten Flußführungen aneinanderstoßen können, reicht es aus, einen bestimmten Prozentsatz an Leistung zu verlieren, indem gegenüberliegende Paare von Cursoren 14 beseitigt werden. Mit den gegebenen relativ niedrigen Temperaturen ist im Motor der Erfindung normalerweise kein Schmiersystem mit wärmeübertragendem Fluid erforderlich. Tatsächlich übt jeder Pulsor durch die Wirkung des querverlaufenden Spülluftstrahls selbst bei einem Druck von 3 kg/cm² einen Druck auf die Zylinderwand aus, der ungefähr 0,8 bis 1,5 kg/cm² entspricht, bei einer maximalen Kolbengeschwindigkeit von ungefähr 12 m/s. Insbesondere wenn Dieselöl oder ähnliche (als selbstschmierend bekannte) Essenzen als Kraftstoff verwendet werden, ist deshalb eine richtige Wahl der Materialien und der Oberflächenbehandlungen sowie die eventuelle Verwendung fester Schmiermittel wie z.B. Molybdän angemessen.
Der Pulsor 5 und folglich die Zylinder 1 erzeugen außer dem obenerwähnten Druck keinen anderen, wobei der begrenzte Druck durch die Dichtungsringe gegeben ist, die keine andersartigen Kräfte mit zu den Zylinderachsen nicht parallelen Komponenten unterstützen.
Die vorliegende Beschreibung soll eine Erklärung abgeben, die weit genug gefaßt ist, so daß Fachleute den Motor gemäß der Erfindung durch Einsetzen ihrer speziellen Erfahrung bauen können, um die beste Form und Anordnung der Teile und der verschiedenen Leitungen, der verwendeten Materialien usw. zu wählen.
Ein vom Erfinder vorgeschlagenes Detail betrifft die Form der Leitung 29 der Spülluftstrahls: es ist nützlich, ihn so zu formen, wie in Fig. 11 zu Orientierung gezeigt ist, um auch mit einem nicht sehr hohen Druck eine wirksame Spülung in Richtung der Pfeile durchzuführen und um eventuell mit einem Teil desselben Drucks (der Teil, der sich aufgrund der Krümmung des Weges nicht selbst in kinetische Energie umwandelt als erste Kompressionsstufe im Zylinder oder zur Erzeugung einer Verwirbelung im Zylinder einzusetzen.
Soweit das Starten des Motors betrachtet wird, ist es wie bereits erwartet nützlich, vorzusehen, den Magnetorotor z.B. mittels einer manuellen Betätigung über eine Vorrichtung bekannten Typs (z.B. einer Trägheitsvorrichtung), die mit einer Ständer-Getriebeschaltung verbunden ist, zu drehen.
Die Magneten 2i, die bei dieser Stufe inaktiv sind, schwingen um einen mittleren Abstand zwischen den Feldgrenzen und den Magneten 1, was am Schnittpunkt zwischen der Druckkurve und der Anziehungskraftkurve des Magnetfeldes keine unerwünschten Foucault-Effekte erzeugt.
Ist die minimale Drehzahl einmal erreicht, findet die erste Einspritzung/Zündung statt und der Motor läuft von da an mittels des Steuerkastens 42 von selbst. Es ist jedoch offensichtlich, daß im Falle hoher Magnetfeldintensität eine kleine elektrische Vorrichtung bekannten Typs mit der Antriebswelle verbunden werden kann, die diese beliebig um einen begrenzten Drehwinkel dreht, ohne sich auf die Kompressionszyklen in den Zylindern auszuwirken.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß der Motor gemäß der Erfindung inaktiv ist und keinen Kraftstoff verbrennt (oder Auspuffgase ausstößt), wenn entweder das Fahrzeug nicht läuft oder wenn das Gaspedal gerade vollständig freigegeben ist.
Es ist wichtig, zu beachten, daß durch schnelles Freigeben des Gaspedals und Deaktivieren (beabsichtigtes Verzögern des Fahrzeugs) der Pulsoren, diese ohne vorn Kraftstoff zugeführte kinetische Energie mit sinkender Hublänge nicht mehr den Bahnen folgen, die für die Erzeugung eines Arbeitsdrehmoments ausgelegt sind, sondern im Gegensatz dazu ein Bremsmoment erzeugen, da die Bahnen die Magnetanziehungsfelder derart kreuzen, daß die Bewegung des Magnetorotors sowie der daran befestigten Antriebswelle 7 verzögert wird.
Durch geeignete Programmierung des elektronischen Steuerkastens ist es auch möglich, wenn z.B. ein Fahrer nach dem schnellen Freigeben des Gaspedals heftig das Bremspedal niederdrückt (wobei er eine Referenzbeschleunigung vorgibt, mit der der Steuerkasten programmiert wird), mittels Kraftstoffeinspritzung absichtlich solche Bahnen zu erzeugen.
Dadurch wird das Fahrzeug im Zusammenwirken mit dem vorhandenen Bremssystem verzögert (Motorbrems-Effekt).
Dank der Möglichkeit, eine ausgewählte Anzahl von Zylindern mit ihrerseits veränderlicher Leistung pro Zylinder zu aktivieren, ohne mit den durch eine Kurbelwelle verursachten Problemen konfrontiert zu werden, wird in bestimmten Fällen kein Getriebe benötigt: auch die Rückwärtsbewegung ist z.B. in einigen Fällen mittels geeigneter Bahnen (AKZ Fig. 16) erreichbar.
In den übrigen Fällen ist ein einfach einsetzbares Umkehrgetriebe oder ein Zwei-Drei-Gang-Getriebe angemessen. Der Kraftstoffverbrauch des genannten Motors ist dank des günstigsten Einsatzes der verschiedenen verwendeten Energieformen sehr niedrig: der theoretische Kraftstoffverbrauch bei einer Leistung von 82 PS beträgt bei Höchstgeschwindigkeit ungefähr 1 Liter Kraftstoff auf 20 km und sinkt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, wie in der vorliegenden Beschreibung gezeigt worden ist.
Der Motor arbeitet, wenn vorher gestartet, mit veränderlicher Kompression, die mit steigender Leistung und auch mit steigendem Kraftstoffbedarf zunimmt. Das resultierende Luftvolumen im Zylinder übersteigt das stöchiometrisch benötigte Volumen erheblich: demzufolge wird die weitgehende Abwesenheit von CO, HC und vieler Stickstoffverbindungen im Gas erreicht, wobei auch bei niedrigen Geschwindigkeiten mit niedrigen Kompressionsverhältnissen ein guter Verbrennungswirkungsgrad erreicht wird.
Dies läßt es zusammen mit dem sehr niedrigen Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Geschwindigkeiten und mit der Inaktivität bei unbewegtem Fahrzeug vorteilhaft erscheinen, den Motor im Stadtverkehr zu verwenden, da er einen niedrige Umweltverschmutzungsgrad aufweist.
Die mit diesem Motor erreichten wirtschaftlichen und auf die Umwelt bezogenen Ergebnisse sind sofort ersichtlich: sie kommen zu der Möglichkeit hinzu, bei jeder Zwischengeschwindigkeit ohne Drehmomentverstärkersysteme für schwere Fahrzeuge eine gute Beschleunigung zu erhalten.
Obwohl speziell für die Verwendung jeder Art von Transporteinrichtung ausgelegt Kraftfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe, ist er auch für die Verwendung in einem Hubschrauber geeignet.
Die Antriebswellendrehzahl (6:10 s&supmin;¹) liegt tatsächlich sehr nahe an der allgemein gewählten Drehzahl der Propellerwelle. Die vom Motor abgestrahlte Wärme kann leicht von den Magneten 1i des Magnetorotors 3 ferngehalten werden, indem auf der Innenseite des Magnetorotors 3 eine Isolierschicht aufgebracht wird, die mit einer dünnen Schicht reflektierenden Materials bedeckt ist. Der eventuell von den Magneten aufgrund von Wirbelströmen oder anderer Energieverluste erzeugte geringe Wärmepegel wird durch die pulsierende Bewegung des Cursors 14 in Verbindung mit der Drehbewegung des Magnetorotors 3 von der Luft automatisch abtransportiert.
Eine interessante Möglichkeit zur Veränderung der Bewegungsbahnen der auf eine weiterhin mögliche Weise an den Cursoren 14 befestigten Magneten 2i verdient eine Erläuterung. Sie kann durch Veränderung des Abstands zwischen dem Energierückgewinnungssystem 8 und den Cursoren 14 für eine konstante Drehzahl des Magnetorotors 3 erreicht werden. Dadurch wird eine vorteilhaftere Drehmoment/Geschwindigkeits-Kurve erreicht. In Fig. 17 weist die Vorrichtung in einer der bevorzugten Ausführungsformen ein (im gezeigten Fall) an den radial äußeren Enden des Elements 8 elastisch mit der Kompressionsdruckfeder verbundenes starres Element 40 auf, das die maximale kinetische Energie eines Pulsors 5 oder einer Gruppe von mechanisch verbundenen Pulsoren mit einem vorgegebenen maximalen Satz aufnehmen muß.
Zwischen dem Element 40 und einer festen Struktur 20 ist in Positionen, die jedem elastischen Element 8 oder einer Gruppe von elastischen Elementen entsprechen, eine flache Platte 37 eingefügt, die dem Element 40 zugewandt gleiten kann und zu diesem parallel ist, wobei die Platte mit wenigstens einem keilförmigen, vorstehenden Teil 37' versehen ist, dessen Dicke entlang seiner Längsachse abnimmt.
Indem der flachen Platte 37 ermöglicht wird, bezüglich des Elements 40 in Längsrichtung zu gleiten, modifizieren die keilförmigen, vorstehenden Teile 37', die zwischen dem Element 40 und der Struktur 20 eingesetzt sind, den Abstand dazwischen von Null bis zur maximalen Dicke des keilförmigen, vorstehenden Teils. Wenn ein solches vorstehendes Teil nicht vollständig zwischen das Element 40 und die Struktur 20 eingefügt ist, ragt es durch die im selben Element ausgebildeten Löcher 40' seitlich heraus. Es können viele Verfahren verwendet werden, um der gleitfähigen Platte 37 zu erlauben, zu gleiten, z.B. Befestigen von dessen einem Ende 37" am Halter eines Elektromagneten 38, dessen Induktionsstrom vom Steuerkasten des Motors gesteuert wird, der dessen Hub in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit oder -beschleunigung, von den vom Fahrer gegebenen Anweisungen, von der im letzten Zyklus ausgeführten Kompressionshublänge oder von mehreren dieser miteinander kombinierten Faktoren bestimmt.
Es ist möglich, die Vorrichtung zu modifizieren, indem die Federn 8 mit den zugehörigen Cursoren 14 statt mit dem starren Element 40 verbunden werden.
Diese Modifizierung erfordert keine weitere Erklärung, da sie für Fachleute offensichtlich ist.
Die von der Erfindung gebotenen Vorteile sind offensichtlich. In Fig. 18 sind die besten mit einem Magnetorotor (ABC) oder bei Verwendung der obenbeschriebenen Vorrichtung (DEF) normalerweise erreichbaren Bahnen für eine gegebene Drehzahl gezeigt: die Geschwindigkeit vp des Pulsors 1 wird im dargestellten Fall mehr als verdreifacht, wobei entsprechend die vom Pulsor 1 geleistete Kompressionsarbeit mit 3 multipliziert wird; folglich nimmt der Annäherungshub der Magneten um ungefähr den Faktor 3 = 1,75 zu, was für die gegebene Drehzahl ωr des Magnetorotors einen Leistungs- und Drehmomentzuwachs um ungefähr den Faktor 3 verursacht, wie oben erwähnt worden ist.
(Die Segmentlänge HK ist gleich der Dicke des keilförmigen Vorsprungs 37'). Durch geeignete Dimensionierung eines jeden Teils ist es möglich, für jede verwendete Drehzahl das maximale Drehmoment zu erhalten.
Ein weiteres Verfahren zum gleitenden Bewegen der Platte 37 kann sein, sie mit einem pneumatikgetriebenen, ölgetriebenen oder ähnlich angetriebenen Kolben zu verbinden, der vorn Steuerkasten "angetrieben" wird, oder zwischen dem Element 40 und der festen Struktur 20 eine abgedichtete, erweiterbare Kammer einzufügen, die ihrerseits mittels des Steuerkastens ihre Dicke regelt, oder andere, in den Zeichnungen nicht gezeigte Verfahren zu verwenden.
Wie bereits erwähnt, kann es in den (häufigen) Fällen, bei welchen die obenbeschriebene Vorrichtung verwendet wird, nützlich sein, die Möglichkeit zu haben, das Spülluftventil (25) mittels eines der verschiedenen, bekannten Systeme zu schließen, wenn der Pulsor (5) während seines Auswärtshubes eine vorgegebene Position erreicht.
So daß keine unangemessenen Mengen an komprimierter Spülluft verschwendet werden, was der Gesamtwirkungsgrad des Motor verschlechtert.
Aus dem bis zu diesem Punkt Beschriebenen kann abgeleitet werden, daß es mit einem Magnetorotor-Motor, der die zuletzt beschriebene Vorrichtung enthält, möglich ist, folgende Funktionen auszuführen:
- bei konstanter Magnetorotor-Drehzahl das Drehmoment und somit die Leistung an der Antriebswelle verändern, indem die Cursor-Hublänge und die Kraftstoffmenge modifiziert werden, oder
- Erzielen eines konstanten Drehmoments für verschiedene Drehzahlen des Magnetorotors, d.h. der Antriebswelle, indem die Kraftstoffmenge pro Zyklus im wesentlichen konstant gehalten und die Cursor-Hublänge modifiziert werden.
Es ist selbstverständlich möglich, mittels eines geeignet programmierten Steuerkastens eine weite Interpolation zu bewirken, wodurch für jede Einsatzbedingung des Motors das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Leistung erhalten werden.

Claims

1. Verfahren zum Bewegen eines ersten Elements, das eine erste Gruppe von Permanentmagneten derselben Polarität (1i) trägt, längs einer kreisförmigen Bahn durch Bewegen eines zweiten Elements oder mehrerer zweiter Elemente, die eine zweite Gruppe von Permanentmagneten (2i) tragen und keine mechanische Verbindung mit dem ersten Element aufweisen, durch Hin- und Herbewegen längs einer geradlinigen Bahn, die quer zur kreisförmigen Bahn verläuft, wobei das erste Element ein Magnetorotor (3) ist, der mit einer Antriebswelle (7) verbunden ist und die Permanentmagneten (1i) trägt, die längs seines äußeren Umfangs befestigt sind, wobei sich das erste Element in einer Drehbewegung um eine Achse bewegt, die zu der Ebene, in der die Permanentmagneten (2i) des zweiten Elements radial verteilt sind, senkrecht ist und durch den geometrischen Mittelpunkt der Umfangslinie verläuft, wobei das zweite Element oder die mehreren zweiten Elemente, deren Permanentmagneten (2i) um den geometrischen Mittelpunkt verteilt sind, der ersten Gruppe von Permanentmagneten (1i) zugewandt sind und mit dem (den) Kolben (5), der (die) auch Pulsor(en) genannt werden kann (können), eines Verbrennungsmotors sowie mit Energierückgewinnungsmitteln (8) mechanisch verbunden sind, die durch die Auswärtsbewegung der Kolben infolge der Gasverbrennung und -ausdehnung komprimiert werden und sich während der Rückkehr- und Kompressionsphase des Motors hin und her bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß: die zweite Gruppe von Magneten (2i) der (des) zweiten Elemente(s) in das Feld der magnetischen Anziehung mit der ersten Gruppe von Permanentmagneten (1i) als Folge der Wirkung der Energierückgewinnungsmittel (8) des (der) Kolben, die mit ihnen verbunden sind, eintritt und sich als Folge der Auswärtsbewegung des (der) Kolben infolge der Gasverbrennung und -ausdehnung längs der gleichen geradlinigen Bahn plötzlich aus dem Magnetfeld heraus bewegt, direkt bevor die Pole in Kontakt gelangen, wobei die erste (1i) und die zweite (2i) Gruppe von Magneten einander mit entgegengesetzter Polarität zugewandt sind und die Verbrennungskammer (9) des Verbrennungsmotors zum geometrischen Mittelpunkt gerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Magneten entweder des ersten oder des zweiten Elements ferromagnefische Teile sind, die ein gekoppeltes Magnetfeld besitzen, dessen Intensität im wesentlichen gleich null ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kolben durch Kugellaufbuchsen angetrieben werden.

4. Vorrichtung, die enthält:

(a) ein erstes Element, das ein Magnetorotor (3) ist, der eine erste Gruppe von Permanentmagneten (1i) der gleichen Polarität, die um dessen äußeren Umfang befestigt sind, trägt, das sich in einer Drehbewegung um eine Achse bewegt, die zu der Ebene, in der die Permanentmagneten (2i) eines zweiten Elements oder mehrerer zweiter Elemente radial verteilt sind, senkrecht ist und durch den geometrischen Mittelpunkt der Umfangslinie verläuft, und das mit einer Antriebswelle (7) verbunden ist;

(b) ein zweites Element oder mehrere zweite Elemente, die keine mechanische Verbindung mit dem ersten Element aufweisen und eine zweite Gruppe von Magneten (2i) tragen, die der ersten Gruppe von Permanentmagneten (1i) zugewandt sind und sich durch Hin- und Herbewegen längs einer geradlinigen Bahn bewegen, die quer zur kreisförmigen Bahn des ersten Elements verläuft;

(c) einen Verbrennungsmotor, der wenigstens eine Verbrennungskammer (9) und wenigstens einen Kolben (5), der auch Pulsor genannt werden kann, besitzt;

(d) Energierückgewinnungsmittel (8), die während der Auswärtsbewegung des (der) Kolben nach der Gasverbrennung und -ausdehnung kompriniert werden und sich während der Rückkehr- und Kompressionsphase des Motorzyklus hin und her bewegen;

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Permanentmagneten (1i) der zweiten Gruppe von entgegengesetzte Polarität besitzenden Permanentmagneten (2i) zugewandt ist, wobei somit das zweite Element das erste Element infolge der magnetischen Anziehung zwischen den beiden Gruppen von Permanentmagneten (1i, 2i) bewegt, und daß die Verbrennungskammer (9) des Verbrennungsmotors zum geometrischen Mittelpunkt gerichtet ist, wobei die zweite Gruppe von Magneten (2i) der (des) zweiten Elemente(s) in das Feld der magnetischen Wechselwirkung mit der ersten Gruppe von Permanentmagneten (1i) als Folge der Wirkung der Energierückgewinnungsmittel (8) des (der) Kolben, die mit ihnen verbunden sind, eintritt und sich direkt vor einem Eingriff der Pole als Folge der Auswärtsbewegung des (der) Kolben infolge der Gasverbrennung und -ausdehnung längs der gleichen geradlinigen Bahn plötzlich aus dem Magnetfeld hinaus bewegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Magneten des ersten oder des zweiten Elements ferromagnetische Teile sind, die ein gekoppeltes Magnetfeld besitzen, dessen Intensität im wesentlichen gleich null ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der der Verbrennungsmotor oder die Verbrennungsmotoren Zweitakt- Sternmotoren sind und bei der die Kolben (5), die auch Pulsoren genannt werden können, in Zylindern (9) untergebracht sind, wobei ihre Köpfe (5') dem Sternzentrum zugewandt sind, wenn die Verbrennungskammern zwischen den Köpfen (5') und dem Sternzentrum angeordnet sind, wobei die Tragelemente (45) der Kolben (5) so beschaffen sind, daß sie zwischen den Kolben (5) und den Läufer genannten Elementen (14), an denen die hin und her sich bewegenden Magnete 2i befestigt sind, eine kinematische Verbindung bewirken, wobei dieser Motor "Umkehr-Sternmotor" genannt wird.

Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Deckel (9") jedes Zylinders (9) mit einem oder vielen Luftkanälen (46) und mit Vorkammern (44), in denen die Zündelektroden (33) und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (43) angeordnet sind, versehen ist, wobei sämtliche Teile in einer Weise geformt und bemessen sind, daß eine im voraus festgelegte Kraftstoffmenge, die mit einem vorgegebenen Druck durch die Einspritzeinrichtung (43) eingespritzt wird, die Elektroden (33) erreicht, nachdem sie sich selbst mit der stöchiometrischen Menge der durch die Luftleitungen (46) und in die Vorkammer (44) gesaugten Luft vermischt hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülung des verbrannten Gemischs in jedem Zylinder (9) nach einer Explosion durch einen Luftstrahl bewirkt wird, der im wesentlichen quer zur Achse dieses Zylinders (9) orientiert ist und von einer Vorrichtung kommt, die Luft komprimieren und die komprimierte Luft in jeden der Zylinder (9) schicken kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, die Luft komprimieren kann, ein Kompressor ist, der mit der Antriebswelle (7) oder einer Abzweigung hiervon mechanisch verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Vorrichtung, die Luft komprimieren kann, ein Kompressor ist, der mittels eines Elektromotors betrieben werden kann.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Vorrichtung, die Luft komprimieren kann, ein Verdrängungskompressor ist, der durch mehrere Kolben (5) gebildet ist, die entsprechend der geradlinigen Hin- und Herbewegung der Motor-Pulsoren (6) arbeiten, mit denen sie mechanisch verbunden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Kompression der Luft sowohl mittels eines Kompressors, der entweder mechanisch mit der Antriebswelle (7) verbunden ist oder elektrisch betätigt wird, als auch mittels mehrerer Kolben (26) bewirkt wird, die ihre Wirkung entsprechend der geforderten Strömungsrate und des Drucks der komprimierten Luft koordinieren.

13. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft zum Spülen des verbrannten Gemischs durch den Kompressor in einen Vorratsraum (Plenumkammer) (32) und anschließend in Zylinder (9) eingeleitet wird.

14. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung und die Zündung des Kraftstoffs in jedem Zylinder infolge der Wirkung eines elektronischen Steuersystems, das "Steuerkasten" (42, Fig. 15) genannt wird, stattfindet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Zeitsteuerung der Einspritzung und der Zündung des Kraftstoffs in der Explosionskammer durch den Steuerkasten entsprechend der gegenseitigen Position bestimmt wird, die von Bezugselementen eingenommen wird, die sich am Magnetorotor (3) und an einem nicht rotierenden Teil befinden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß der Steuerkasten (42) die Zeitsteuerung und die Regulierung der für eine einzige Explosion eingeleiteten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Umfangsgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung des Magnetorotors (3) oder von der Position, die von einem oder mehreren treiberbetätigten Treiberelementen eingenommen wird, oder vom Kompressionshub der letzten Explosion oder einer Kombination hiervon ausführt.

17. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Bewegung der Kolben (oder Pulsoren) (5) in bezug auf die äußere Oberfläche der Magneten des Magnetorotors (3) geneigt ist, damit die Relativbewegungsbahnen der Magneten (2i) in bezug auf diesen Magnetorotor (3) im voraus festgelegte Neigungen besitzen, wobei die Magneten (2i) während der Auswärtshübe der Pulsoren (5) von den Magneten (1i) durch die Pulsoren (5) und während des zugehörigen Annäherungshubs durch das Rückgewinnungssystem (8) und das Magnetfeld geschoben werden (Fig. 9).

18. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis l7, bei dem das System zur Rückgewinnung mechanischer Energie, das mit den Pulsoren (5) des Motors (6) gekoppelt ist, aus mehreren elastisch komprimierbaren Elementen oder Elementgruppen besteht, die sich am Umfang um den Magnetorotor (3) in Entsprechung mit jedem Pulsor (5) oder mit jeder Gruppe von miteinander verbundenen Pulsoren angeordnet sind, wobei die Längsachse jedes Elements (8) auf die Achse des betreffenden Pulsors oder der betreffenden Pulsoren (5) ausgerichtet oder zu dieser parallel ist, und wobei jedes Element (8) mit seinem radial äußeren Ende zu einer festen Struktur (20) gewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Gruppen elastischer Elemente (8) mittels eines starren Elements (40) verbunden sind und daß zwischen das Element (40) und die feste Struktur (20) ein Element (37) eingefügt ist, das den Abstand zwischen ihnen während des Betriebs des Magnetorotors (3) verändern kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen das Element (40) und die feste Struktur (20) eingefügte Element eine flache Platte (37) ist, die zum Element (40) parallel und diesem zugewandt ist, wobei die Platte mit wenigstens einem keilförmigen, vorstehenden Teil (37') versehen ist, dessen Dicke entlang seiner Längsachse ansteigt und das in Entsprechung mit jeder Gruppe von elastischen Elementen (8) angeordnet ist, und daß das Element (40) mehrere Kerben (40') trägt, in denen die vorstehenden Teile (37') gleiten können, wenn sie ihren Hub ausführen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der jede der Platten (37) mit einer Vorrichtung verbunden ist, die ihnen ein Gleiten in Längsrichtung in bezug auf das obenerwähnte Element (40) ermöglicht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Vorrichtung, die jeder der Platten (37) ein Gleiten ermöglichen kann, ein Elektromagnet ist, auf den in entgegengesetzter Wirkung eine Gegenwirkungsfeder (39) wirkt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (38) ein mittels Luftdruck oder mittels Öl betätigter Zylinder ist.

23. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 21 oder 22, bei der von einer der Vorrichtungen aufgrund der Steuerung des mit dem Magnetorotor (3) gekoppelten elektronischen Steuerkastens (42) entsprechend der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung des Magnetorotors oder entsprechend von einem Treiber ausgegebenen Befehlen oder entsprechend der Länge des von den Pulsoren (5) bei der letzten Explosion durchlaufenen Kompressionshubs oder entsprechend einer Kombination mehrerer der obenerwähnten Faktoren ein Gleithub der Platten (37) mit im voraus festgelegter Länge erzeugt wird.

24. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Elemente (8) Biege- oder Torsionsfedern sind, die einen Steifigkeitskoeffizienten besitzen, derart, daß für den maximalen Satz einer Gruppe von Federn die maximale kinetische Energie des Pulsors oder der Pulsoren (5), die hierauf bezogen sind, absorbiert wird.

25. Verwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 24 für die Bildung des Motors für Wasser- , Land- oder Luftantrieb oder für andere Anwendungen.