DE19813992A1

DE19813992A1 - Freikolbenbrennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung

Info

Publication number: DE19813992A1
Application number: DE1998113992
Authority: DE
Inventors: Stefan Roeder; Thomas Dannemann; Martin Roeder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-28
Filing date: 1998-03-28
Publication date: 1999-10-07

Abstract

Technisches Problem der Erfindung DOLLAR A Freikolbenmotoren werden üblicherweise mit mechanischer Energieauskopplung durch Zahnstangen, Hebelmechanismen etc. konstruiert. DOLLAR A Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß diese Maschinen DOLLAR A È umfangreiche Abdichtmaßnahmen benötigen, DOLLAR A È sehr viele bewegliche und zu schmierende Teile enthalten und DOLLAR A È Reibungsverluste an den Kraftübertragungseinrichtungen entstehen. DOLLAR A Außerdem sind Maschinen bekannt, welche die Energieauskoppelung aus dem System auf elektrischem (induktivem) Wege vornehmen. DOLLAR A Diese stellen eine Verbesserung gegenüber den Maschinen mit mechanischer Energieauskopplung dar, besitzen aber die folgenden Probleme: DOLLAR A È bewegliches Kabel zur Stromzuführung zur Feldspule erforderlich, DOLLAR A È Schmierung und Kühlung unzureichend gelöst, DOLLAR A È Abdichtungsprobleme, DOLLAR A È Vielteiligkeit. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein frei in einem geschlossenen Zylinder angeordneter permanentmagnetischer Kolben durch den Verbrennungsdruck periodisch hin- und herbewegt wird und dadurch in der Spule eine Spannung induziert, die einen Stromfluß bewirkt. Dieser stellt die Nutzenergie der beschriebenen Maschine dar. DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Hybrid-Antrieb von Fahrzeugen, Blockheizkraftwerke, mobile Stromerzeuger

Description

Stand der Technik

Bekannt ist aus den Patentklassen F 01 B - 11/00; F 02 B - 71/00, daß Freikolbenmotoren üblicherweise mit mechanischer Energieauskoppelung durch Zahnstangen, Hebelmechanismen etc. konstruiert werden.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß diese Maschinen

- umfangreiche Abdichtmaßnahmen benötigen,
- sehr viele bewegliche und zu schmierende Teile enthalten und
- Reibungsverluste an den Kraftübertragungseinrichtungen entstehen.

Eine weitere Ausführungsvariante ist in DE-OS 30 29 287 (Patentklasse F 02 B - 71/00) beschrieben.

Die Probleme dieser Lösung sind insbesondere in folgenden Punkten zu sehen:

- Abdichtungsprobleme an den offenen Enden der Zylinder,
- schlechtes Abgasverhalten auf Grund von unverbranntem Öl im Abgas, bedingt durch die angewandte Gemischschmierung,
- Spülverluste durch Arbeitsprinzip nach dem Zweitaktverfahren in Verbindung mit äußerer Gemischbildung.

Außerdem sind Maschinen bekannt, welche die Energieauskoppelung aus dem System auf elektrischem (induktivem) Wege vornehmen (vgl. Patentklasse H 02 K 7/18 insbesondere DE-OS 44 13 351 A1).

Diese stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Maschinen mit mechanischer Energieauskoppelung dar. Die in DE-OS 44 13 351 A1 beschriebene Lösung ist mit folgenden Problemen behaftet:

- bewegliches Kabel zur Stromzuführung zur Feldspule (dort mit 1.2.1.1 bezeichnet) erforderlich,
- Schmierung und Kühlung unzureichend gelöst,
- Abdichtungsprobleme zwischen rechter und linker Motor-Generator-Einheit,
- Vielteiligkeit.

Aufgabe

Diese Erfindung hat das Ziel, den Gesamtwirkungsgrad von Brennkraftmaschinen zu verbessern, die Anzahl beweglicher Teile (Kurbeltrieb etc.) und die Reibungsverluste zu minimieren sowie Abdichtungen einzusparen. Weiterhin soll eine Verringerung des Verschleißes und damit des Wartungsaufwandes erreicht werden.

Lösung

Diese Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein frei in einem geschlossenem Zylinder angeordneter permanentmagnetischer Kolben durch den Verbrennungsdruck periodisch hin- und herbewegt wird und dadurch in der Spule eine Spannung induziert, die einen Stromfluß bewirkt. Dieser stellt die Nutzenergie der beschriebenen Maschine dar.

Beschreibung: Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die Freikolbenbrennkraftmaschine besteht im wesentlichen aus einem Zylinder (9) mit Spülschlitzen (Einlaßschlitze 7, Auslaßschlitze 8), in dem sich ein frei beweglicher Kolben (Permanentmagnet 1, Kolbenkörper 2) mit Mulde (3) befindet. Um den Zylinder herum ist eine Spule bzw. ein Spulensystem (12) angeordnet. Der Zylinder wird an beiden Enden durch Zylinderköpfe (5) mit Einspritz- und Zündvorrichtung (6) abgeschlossen. Der Schmierkanal (4) wird durch eine Verjüngung im mittleren Bereich des Kolbens gebildet. Der Schmiermittelzulauf (10) ist in der Zylinderwand angeordnet. Desweiteren sind in der Zylinderwand Sensoren (13) angeordnet. Mit den Einlaßschlitzen in Verbindung steht die Einblasvorrichtung (11). Die Maschine enthält außerdem eine elektronische Steuerung, die mit der Spule/dem Spulensystem, der Einspritz-, der Zünd- und der Einblasvorrichtung sowie den Sensoren in Verbindung steht.

Für die Funktionsfähigkeit der Erfindung ist die Materialbeschaffenheit einiger Teile von Bedeutung. Insbesondere sind dies der Kolben, der in seinem Inneren einen Permanentmagneten enthält, der Zylinder, der aus einem den magnetischen Fluß nicht behindernden Material besteht.

Weiterhin müssen die Formen von Kolbenboden und innerer Zylinderkopfbegrenzung so aufeinander abgestimmt sein, daß das Volumen bei der Verdichtung gegen Null konvergiert, unrein Kollidieren des Kolbens mit dem Zylinderkopf auszuschließen. Es kann eine genügend kleine Aussparung für die Zündelektroden im Kolbenboden eingelassen sein, die unter normalen Betriebsbedingungen keine Kollision ermöglicht.

Die Arbeitsweise der Freikolbenbrennkraftmaschine (im Fall innere Gemischbildung, Spulensystem) ist folgende:

Startphase

Der Kolben befindet sich in einer beliebigen Position. Um die Maschine zu starten, wird mit der Einblasvorrichtung Luft in den Zylinder gefördert. Danach wird im Spulensystem ein magnetisches Wanderfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Kolben ausübt und ihn so in Bewegung in Richtung des momentan weiter entfernten Zylinderkopfes (in diesem Beispiel sei dies der Zylinderkopf in Teilsystem A) versetzt. Durch diese Bewegung wird die Luft im Zylinder zwischen diesem Zylinderkopf und dem Kolben verdichtet. Wenn die Spülschlitze durch den Kolben verschlossen sind und eine ausreichende Verdichtung erreicht ist, wird durch die Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinderinnenraum des Teilsystems A eingespritzt. Danach erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Zündvorrichtung. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt einen Druckanstieg im Zylinderinnenraum des Teilsystems A. Durch diesen Druck wird der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes von Teilsystem B bewegt. Bei erfolgreicher Verbrennung schließt sich ab diesem Zeitpunkt der Normalbetrieb an, anderenfalls muß der Startvorgang wiederholt werden.

Normalbetrieb

Während in Teilsystem A die Verbrennung abläuft, wird Frischluft in Teilsystem B gefördert. Nach Öffnen der Spülschlitze in Teilsystem A strömt das verbrannte Kraftstoff- Luft-Gemisch durch den Auslaßschlitz in die Abgasanlage. Gleichzeitig wird durch die Einblasvorrichtung frische Luft in den Zylinderinnenraum der Teilsystems A gefördert. Durch die Trägheit des Kolbens setzt sich seine Bewegung fort, wodurch die Luft in Teilsystem B verdichtet wird. Wenn die Spülschlitze durch den Kolben verschlossen sind und eine ausreichende Verdichtung erreicht ist, wird durch die Einspritzvorrichtung Kraftstoff in den Zylinderinnenraum des Teilsystems B eingespritzt. Danach erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Zündvorrichtung. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt einen Druckanstieg im Zylinderinnenraum des Teilsystems B. Durch diesen Druck wird der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes von Teilsystem A bewegt. Während in Teilsystem B die Verbrennung abläuft, wird Frischluft in Teilsystem A gefördert. Nach Öffnen der Spülschlitze in Teilsystem B strömt das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Auslaßschlitz in die Abgasanlage. Durch die Trägheit des Kolbens setzt sich seine Bewegung fort, wodurch wiederum die Luft in Teilsystem A verdichtet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch.

Die Zeitpunkte für Zündung und Einspritzung, sowie die geförderte Luftmenge werden durch die elektronische Steuerung bestimmt.

Durch die fortlaufende periodische Kolbenbewegung wird eine Wechselspannung in der Spule/dem Spulensystem induziert, die einen Stromfluß bewirkt. Dieser stellt die Nutzenergie der beschriebenen Maschine dar.

Erreichte Vorteile

Die Vorteile der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen gleicher Leistung bestehen in:

- Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades,
- Verringerung der Abgasemission,
- Verringerung der Baugröße und damit Reduktion der Masse,
- weite Skalierbarkeit der Baugröße,
- Einsparung von Abdichtelementen,
- Freiheit bei der räumlichen Anordnung im speziellen Anwendungsfall (keine mechanische Kraftübertragung),
- Vereinfachung der Lagerhaltung, da nur wenige Verschleißteile enthalten sind,
- Möglichkeit des Betriebes mit verschiedenen Kraftstoffen, bedingt durch die Möglichkeit eines variablen Verdichtungsverhältnisses.

Anwendungsgebiete

Die beschriebene Erfindung kann beispielsweise als Hybrid-Antrieb von Fahrzeugen, in Blockheizkraftwerken und in mobilen Stromerzeugern Verwendung finden.

Bezugszeichenliste

0

Steuergerät

1

Kolben

2

Kolbenbeschichtung

3

Kolbenmulde

4

Kolbenverjüngung

5

Zylinderkopf

6

kombinierte Einspritz- und Zündvorrichtung

6.1

Zündvorrichtung

6.2

Einspritzvorrichtung

7

Einlaßkanal

8

Auslaßkanal

9

Zylinder

10

Schmiermittelzufluß

11

Einblasvorrichtung

12

Spulen/Spulensystem

13

Sensoren

14

Eisenblech (Elektroblech)

15

Isolierschicht

1

(Zylinderinnenwand)

16

Isolierschicht (zwischen den Eisenblechen)

17

Eisenblechtrennung (Trennung wahlweise versetzt und durch

16

isoliert)

18

Einspritzventil

19

Rückschlagventil

20

Einlaßventil

21

Auslaßventil

22

Ventilbetätigung (elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder elektropneumatisch)

23

Kraftstoffpumpe

24

Zündspule

Claims

1. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein nichtmetallischer, permanentmagnetischer Kolben in einem Zylinder durch Verbrennungsdruck in lineare Schwingbewegungen versetzt wird, und die Energieauskoppelung aus dem System auf induktivem Wege durch um den Zylinder herum angeordnete Spulen erfolgt,
daß der Spülvorgang über Spülschlitze erfolgt, und die Maschine nach dem Zweitaktprinzip mit Umkehr-, Kreuz- oder Querstromspülung arbeitet,
daß der Kraftstoff über ein Einspritzventil oder eine Kombination Einspritzventil/Zündkerze in den Brennraum eingebracht wird,
daß die Schmierung der beweglichen Teile durch eine (oder mehrere) Schmiermittel zuführungsöffnung im Zylinder und Schmiernut(en) im Kolben erfolgt,
daß in den Spülkanälen Positionssensoren (optisch, induktiv oder auf Hall-Effekt basierend) eingebaut sind, welche der Steuerung die momentane Position des Kolbens mitteilen (vgl. Abb. 1).

2. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr der oben beschriebenen Systeme parallel (sowohl neben- als auch hintereinander) und fest miteinander verbunden angeordnet sind, und die Schwingbewegung mit 180 Grad Phasenversatz ausführen, um das Gesamtsystem möglichst schwingungsfrei zu halten (vgl. Abb. 2).

3. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülvorgang über elektromagnetisch, elektrohydraulisch oder elektropneumatisch gesteuerte Ventile erfolgt (vgl. Abb. 3).

4. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder der Maschine aus geschichteten, elektrisch gegeneinander isolierten Eisenblechen (Elektroblech) mit einer Isolierschicht an der Zylinderinnenwand besteht, um den magnetischen Fluß und damit den Wirkungsgrad zu verbessern (vgl. Abb. 4).

5. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung auf indirektem Wege (vor dem Einströmschlitz) erfolgt (vgl. Abb. 5).

6. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einlaßschlitz ein Rückschlagventil angeordnet ist, das das Ausströmen des Abgases durch den Einlaßschlitz verhindert (vgl. Abb. 6).

7. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenpartikel in der Zylinderwand angeordnet sind und damit eine Verbesserung des magnetischen Flusses erreicht wird.

8. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderinnenwand und die Kolbenoberfläche mit einer Gleitbeschichtung (z. B. aus Keramik) versehen ist, um die Reibung zwischen diesen Teilen zu minimieren und nach Möglichkeit auf eine Schmierung der Maschine zu verzichten. Dabei können Schmierkanal und Schmiermittelzulauf entfallen.

9. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei entsprechend hoher Verdichtung Selbstzündung des Kraftstoffes erfolgt (wahlweise Entfall der Zündvorrichtung).

10. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erkennung der Kolbenposition durch Messung und Auswertung der Ströme/Spannungen im Spulensystem statt durch die Sensoren erfolgt.

11. Freikolben-Brennkraftmaschine mit elektrischer Energieauskoppelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine nach dem Viertaktprinzip arbeitet. Die hierzu erforderlichen Ventile werden hydraulisch bzw. elektromagnetisch betätigt. Die Kolbenbewegung wird während des Ansaug- und Verdichtungstaktes jeweils durch Stromfluß in den Spulen unterstützt (vgl. Abb. 3).