DE3822549A1 - Elektrischen strom erzeugender verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen neuartigen Weg, mit einem Verbrennungsmotor elektr. Strom zu erzeugen.

I. Istzustand

• a) Elektr. Strom ist eine Energieform, die vielseitiger als alle anderen sowohl dosiert als auch angewendet werden kann, auch die Wandlung in/aus elektr. Strom in eine andere Form wird häufig angewendet.
• b) Verbrennungsmotore zeichnen sich dadurch vor anderen Wandlern aus, daß sie in vielen Größen der Anforderung entsprechend gebaut werden können, während bei anderen Wandlern die Mindest- bzw. Maximalleistung limitiert ist. Weiterhin sind ein günstiges Verhältnis Volumen/Masse des Motors zu der abgegebenen Leistung und vielseitige Brennstoffe (Gase/Dämpfe/Stäube) Gründe für ihre weite Verbreitung.
• c) Abgesehen von Michael Faradays Versuchen mit hin- und wider pendelnden Magnetfeldern werden im nennenswerten Maße nur Generatoren (Stromerzeuger) verwendet, die u. a. auf Werner Siemens zurückgehen und eine mech. Drehbewegung in el. Strom umwandeln. Den Versuchen, chem. Energie z. B. mit Brennstoffzellen umzuwandeln, eignet bisher keine praktische Bedeutung.
• d) Sieht man von sehr frühen Versuchen ab, gehen alle heutigen Verbrennungsmotore auf Diesel und Otto zurück; wobei auch Selbszünder nicht nur mit "Diesel"-Kraftstoff laufen. Beispiel die Modellflugzeugmotore, die als Zwei- oder Viertakter Selbstzünder darstellen, betrieben mit Methanol u. a. leicht brennbaren Flüssigkeiten. Der Zweitaktmotor bietet dabei den Vorteil, daß der Kolben die Ventilfunktion mit übernimmt; das vereinfacht den Bau; ist aber nur über enge Drehzahlbereiche mit guter Zylinderfüllung beherrschbar.

Die Kombination Verbrennungsmotor/Stromerzeuger, eine an sich sinnvolle Kombination, wird nur in Fahrzeugen, bei denen Gewicht und Volumen keine Rolle spielen angewandt; also in Schiffen und Lokomotiven. Stationäre Anlagen sind auf Notstromanlagen etc. begrenzt, weil hier die kurze mean time between failure einen Dauerbetrieb zu kostspielig macht.

Der Erfindung liegt nun zugrunde, eine sinnvolle Kombination zu geben die zwar die Vorteile beider Ausgangsanordnungen, nicht aber deren Nachteile aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß den Patentansprüchen gelöst.

• 1. Um so wenig bewegliche Teile wie möglich zu erhalten, wird nur ein Kolben verwendet. Er bewegt sich wie beim Zweitakt-Verbrennungsmotor im Zylinder und übernimmt so die Ventilfunktion mit. Der Kolben bewegt sich frei im Zylinder, es gibt keine Pleuelstange und keine Kurbelwelle. Die Kompression der Gase verhindert, daß der Kolben gegen den Zylinderkopf schlägt. Um unbeabsichtigte Kolbenbewegungen zu unterbinden (durch die Erschütterungen im bewegten Auto bei abgeschaltetem Zylinder) muß der Zylinder waagerecht eingebaut werden.
• 2. Der Kolben wirkt doppelseitig. Der Verbrennungsmotor gemäß dieser Erfindung stellt also einen Zweizylinderboxermotor dar, bei dem Kurbelwelle und Pleuel fehlen; oder ist ähnlich einer doppelt wirkenden Lokomotivdampfmaschine. Nur durch den doppelseitigen Betrieb kann der Motor kontinuierlich laufen, da es keine mechanische Schwungmasse gibt, die den Kolben vom unteren Totpunkt wieder hoch treibt.

Wirkt aus irgendwelchen Gründen ein Verbrennungsraum nicht mehr mit, z. B. weil Zündung oder Kraftstoffzufuhr unterbrochen sind, verhüten die Kompression und das Magnetfeld eine Zerstörung des Kolbens, aber die abgegebene Leistung sinkt stark ab, weil jetzt mit dem erzeugten Strom des Arbeitstaktes der Kolben beim Leertakt bewegt werden muß. Es empfiehlt sich deshalb mehrere, kleinere Einheiten getrennt aufzubauen. Dadurch ist die Leistungseinbuße nicht so groß, wenn ein Zylinder ausfällt (bisherige Mehrzylindermotore sind über die Kurbelwelle starr verkoppelt) und die abgegebene Leistung kann in vielen kleinen Schritten dem Bedarf angepaßt werden.

• 3. Kolben und Zylinder müssen aus keramischen Material oder Glaskeramik bestehen. Die bisher überwiegend im Verbrennungsmotorenbau Verwendung findenden Metalle haben nachteilige Eigenschaften: großer Temperaturausdehnungskoeffizient erlaubt keinen engen Luftspalt zwischen Kolben und Zylinder. Der Begriff Luftspalt ist hier im magnetischen Sinne gemeint.

Temperaturwechsel bei intermittierendem Betrieb führen zu Materialermüdung. Wirbelströme in Kolben und Zylinder und die magnetischen Eigenschaften der Metalle machen sie unbrauchbar. Die beiden Bauelemente Kolben und Zylinder haben bei dieser Erfindung noch weitere Funktionen. Sie werden in Mehrlagentechnik hergestellt wie bei der Produktion von Computerchips üblich. Da es sich um rotationssymmetrische Bauelemente handeln kann (diese Form ist nicht conditio sine qua non), erfolgt die Herstellung vorteilhaft durch Aufbringen mehrerer Lagen auf eine rotierende Walze.

Dicht unter den korrespondierenden Oberflächen von Zylinder und Spule befinden sich eingebrannte Spulen. Die hohe spez. Widerstand des Material erlaubt auch die Zündung des Gemischs unabhängig von einer mehr oder weniger punkförmig wirkenden Zündkerze (an beliebigen Stellen; auch quer durch das Gemisch). Die Außenseite des Zylinders wird im Betrieb relativ zur Umgebung sehr warm (Kühlung ist nicht erforderlich), hier liefert eine Peltierbatterie aus der Abwärme Gleichspannung, z. B. um die Starterbatterie damit aufzuladen oder für Hilfsbetriebe wie Beleuchtung usw. Bei arktischen Temperaturen kann umgekehrt der Zylinder vorgewärmt werden, um den Anlaßvorgang zu erleichtern.

Durch diese Anordnung fallen Hilfsbetriebe (z. B. Anlassermotor, Lichtmaschine, Kurbelwelle und -Gehäuse, Kühl und Schmiermittelkreislauf ((Pumpen, Leitungen, Kühler, Vorratsbehälter)) Ventile, Zündverteiler, Kupplung) ersatzlos weg.

Das explodierte, aber noch heiße Gemisch gelangt zunächst in einen Resonanzauspuff. Dieser ist wegen der nahezu konstanten Taktzahl sehr effektiv als Schalldämpfer und sorgt für eine ausreichende Spülung des Verbrennungsraumes. Das heiße Ende des Auspuffs kann mit in die Peltierbatterie einbezogen werden.

Keramik kann nur auf Druck beansprucht werden; die Nahtstelle am Zylinder muß daraufhin optimiert gstaltet werden.

Der Zylinder wird aus einem Rohr aus Keramik erstellt, als Zylinder-Deckel dienen zwei Abdeckstücke ("Zylinderköpfe"). Das Zylinderrohr ist dabei länger als es dem Kolbenweg entspricht, da die Abdeckstücke in den Brennraum hineinragen. Nur der Zylinder besteht aus Multilayer-Keramik, er wird über einer drehenden zylindrischen Formwalze Schicht für Schicht aufgebaut. Hierbei ist der geringe Schwund beim Brennen kalkulierbar und ohne Folgen auf die Funktion.

Der Kolben wird absichtlich geringfügig größer erstellt und abgedreht auf Maß (bei Einzelfertigung) oder die jeweils passenden Paare werden selektiert (bei Großserie, berührungslos auf optische Weise).

Eine einschraubbare Zündkerze ist nicht möglich, dafür aber können die Elektroden unmittelbar auf/in der Zylinderabdeckplatte eingelassen werden. Über Metall- Keramik-Verbindungen ESPE, Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, 1960/61 Prag und deutschspr. DDR-Ausgabe, dort auch weitere ausführliche Literaturangaben.

• 4. Kolben und Zylinder stellen gemäß Patentanspruch gleichzeitig einen Stromerzeuger dar. Vom Kolben kommt das Erregerfeld; die Zylinderspule gibt Wechselstromleistung ab. Der Strom kann ohne bewegliche Kontakte, Schleifringe etc. abgegriffen werden.

Diese Wechselleist. kann Verbrauchern - im Fahrzeug Radnabenmotoren durch ruhende (ohne bewegliche Teile) Induktionsspulen in Spannung, Strom und Frequenz angepaßt werden, auch Halbleiterwandler (wie in Lokomotiven, mit Rückgewinnung der Bremsenergie) sind geeignet. Die Leistung aus der Zylinderspule liefert den größten Teil der durch die patentgemäße Anordnung erzeugte Leistung; die Peltierelemente nutzen nur den ohnehin anfallenden Energieabfall, verbessern den Gesamt-Wirkungsgrad aber deutlich.

Das Erregerfeld können auf unterschiedliche Weise liefern:

• a) Permanentmagnete aus Ferriten (eingelagert in der Keramik) nur für sehr kleine Maschinen, da die hohen Temperaturen und die Erschütterungen das Magnetfeld rasch schwächen. = magnetelektrische Maschine.
• b) Eine im Kolben angeordnete Spule baut das Feld auf, es wird also Erregerleistung benötigt. Die Spule erlaubt es, Intensität und Richtung (auch während des Betriebes) des Erregerfeldes zu variieren, bei wechselnden Betriebsbedingungen (Anlaßvorgang, "Leerlauf", Normalbetrieb) oder auch während jedes Taktes.

Schon eine kurzgeschlossene Spule wird durch induktive Wechselwirkung mit der Zylinderspule ein Feld aufbauen; durch von außen zugeführte Leistung kann das Feld aber stärker gemacht werden.

Damit die magn. Feldlinien den beabsichtigten Weg nehmen, müssen sowohl Kolben- als auch Zylinderspule dicht unter der jeweiligen Oberfläche liegen; eingelagerte Ferrite oder magnetisch äquivalente Materialien verbessern diese Bemühungen.

Die Zylinderspule muß die Leistung liefern. Da nur dünne Wicklungen (kleiner Querschnitt) praktikabel sind, ergo auch nur kleiner Strom, wird die Anordnung zwangsläufig eine hohe Spannung abgegeben, und statt eines sehr großen Zylinders sind mehrere kleinere vorzusehen für einen vorgegebenen Leistungsbedarf.

Bei wechselndem Bedarf werden nur die benötigten Zylinder eingeschaltet. Mehrere Generatoren gemäß Patentanspruch können parallel, bei Drehstrom auch in Stern/Dreieck geschaltet werden. Voraussetzung ist nur Synchronisation vor der Zusammenschaltung, danach synchronisieren sie sich gegenseitig.

• 5. Die unvermeidlichen Erschütterungen/vibrationen während des Betriebes ermöglichen die Ausbildung der Befestigung als Piezowandler. Diese stellen eine hochohmige Spannungsquelle für die Zündung dar, wie es im kleinen Maßstab in Piezofeuerzeugen anzutreffen ist. Um den Zündzeitpunkt beliebig einzustellen, bedarf es einer Laufzeitleistung, wie sie in Funkmeß-(RADAR-)geräten Verwendung findet. Eine Variation des Zündzeitpunktes durch den Anwender ist nur erforderlich bei Wechsel des Betriebsstoffes (z. B. statt Benzin andere brennbare Flüssigkeit oder Kohlen-/Holz/Metall-/ Getreidemehl).

Claims (1)

1. Elektrischen Strom erzeugender Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß

   • 1. es nur ein bewegliches Teil - den Kolben - gibt,
   • 2. der Kolben doppelseitig wirkt,
   • 3. Kolben und Zylinder aus keramischem Material oder Glaskeramik bestehen in Mehrlagen (Multilayer-)Technik,
   • 4. der Kolben ein Magnetfeld aufbaut, welches in der Zylinder-Spule einen elektrischen Wechselstrom induziert,
   • 5. die notwendige Zündspannung durch den Piezoeffekt frequenzrichtig und synchron erzeugt und der Zündzeitpunkt durch Laufzeitketten bestimmt wird.