DE3922986A1 - Verbrennungsmotor mit lineargenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit mindestens einem an einem linear hin und her be­ weglichen Motorteil angeordneten Permanentmagnet, der sich an mindestens einer Induktionsspule zur Erzeugung elektrischer Energie vorbeibewegt (Lineargenerator).

Eine solche Maschine ist bekannt, z.B. aus DE-AS 22 17 194, EP 01 23 617 A2 oder GB-PS 15 15 776. Diese drei Druckschriften zeigen jeweils eine Flug­ kolben-Verbrennungsmaschine mit einem Linear-Synchrongenerator. Am Kolben ist jeweils ein Permanentmagnet befestigt, der sich an Induktionsspulen vor­ beibewegt, die im Zylindergehäuse angeordnet sind. Diese bekannte Maschine weist u.a. Probleme beim Anlassen auf, das über den Lineargenerator durch Speisung mit elektrischem Strom oder über eine separate batteriebetriebene Anlaßeinrichtung erfolgen muß. Die sich entgegengesetzt zueinander bewegen­ den Freiflugkolben laufen mit ihrer Rückseite (entgegengesetzt zum Brenn­ raum) gegen hydroelastische Puffer, wodurch sich Probleme bei der Kolbenum­ kehr und -synchronisierung ergeben. Außerdem ist es schwierig, die durch den Verbrennungsvorgang und in den Puffern entstehende Wärme abzuführen. Da keine rotisrenden Teile vorhanden sind, sind Hilfsantriabe, z.B. für die Einspritzung oder für die Kühlwasserpumpe, nicht unmittelbar von dem Motor ableitbar. Auch für die Synchronisation der erzeugten elektrischen Energie ist ein hoher technischer Aufwand erforderlich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und mit hoher Effizienz arbeitende, kompakte Anordnung von Verbrennungsmotor und Lineargenerator zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies vor allem dadurch erreicht, daß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 der Verbrennungsmotor ein Kurbelschlaufenmotor ist, wobei der Permanentmagnet an einer hin und her beweglichen Stange angeordnet ist, die entweder eine Kolbenstange oder eine mit dieser über die Kurbelschlaufe verbundene separat geführte Gene­ ratorstange ist.

Der Kurbelschlaufenmotor ist an sich bekannt. Sein Prinzip und seine Vor­ teile werden später bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, einen solchen Kurbelschlaufenmotor mit einem elektrischen Lineargenerator zu kombinieren.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen sowie aus der folgenden detail­ lierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt schematisch einen als Kurbelschlaufenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, der mit einem elektrischen Lineargenerator kombiniert ist;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Lineargenerator nach der Linie A-A in Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Kurbelschlaufenmotor als Vierzylinder-Sternmotor dar­ gestellt. Sein Funktionsprinzip soll zunächst der Einfachheit halber an Hand eines Zweizylindermotors ohne Lineargenerator erläutert werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Zwei­ takt-Brennkraftmaschine mit auf einer Achse liegenden, einander gegen­ über angeordneten Zylindern 1 und darin hin und her beweglich geführten Kolben 3. Statt nach dem Zweitakt-Prinzip könnte der Motor auch als Viertakt-Brennkraftmaschine ausgebildet sein.

Die Kolben 3 bewegen sich linear in den Zylindern 1. Zur Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine rotierende Bewegung wird anstelle eines oszillierenden Pleuels ein Kurbelschlaufentrieb verwendet. Dieser basteht aus einer etwa rechteckigen Kurbelschlaufe 5, in der an einem darin längs ver­ schiebbaren Kulissenstein 7 ein Kurbelzapfen 9 drehbar gelagert ist, der seinerseits mit einer in der Zeichnung nicht erkennbaren drehbaren Kurbel­ welle verbunden ist. Der Kulissenstein 7 ist seinerseits in Gleitflächen der Kurbelschlaufe 5 eingepaßt.

Bei Drehung der Kurbelwelle bewegt sich der an dieser exzentrisch ange­ ordnete Kurbelzapfen 9 in der Kurbelschlaufe 5 hin und her, und gleich­ zeitig bewegt sich die Kurbelschlaufe 5 selbst senkrecht zu der Gleitbe­ wegung des Kulissensteins 7 hin und her, wodurch sich die starr mit der Kurbelschlaufe 5 verbundenen Kolben 3 entlang der Zylinderachse Z hin und her bewegen.

Die sich unterhalb der Kolben 3 befindenden Räume 13 sind durch Trennwand­ lager 15 einerseits gegenüber dem Kurbelgehäuse 17 und andererseits gegen­ über den Zylindern 1 getrennt und abgeschottet. Diese Trennwandlager 15 führen die starr mit den Kolben 3 verbundenen Kolbenstangen 4. Die Trenn­ wände zwischen den Räumen 13 und dem Kurbelgehäuse 17 verhindern zusammen mit den Trennwandlagern 15 einen Gasaustausch zwischen dem Kurbelgehäuse 17 einerseits und den Räumen 13 und den Zylindern 1 andererseits, im Falle eines Zweitaktmotors also auch einen Gasaustausch zwischen dem Kurbelge­ häuse 17 und dem Vorkompressionsraum, der sich seitlich außerhalb der Zylinder 1 und/oder der Räume 13 befinden kann.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind praktisch zwei Zweizylinder-Motoren axial hintereinander und unmittelbar nebenein­ ander längs der Kurbelwelle angeordnet, so daß vier zueinander um 90° ver­ setzte Zylinder 1 mit zugehörigen Kolben 3 und Kolbenstangen 4 vorhanden sind, von denen je zwei einander gegenüberliegende mit je einer von zwei Kurbelschlaufen 5 starr verbunden sind, die ihrerseits über die Kurbelwelle miteinander in Verbindung stehen.

Durch diese Anordnung ergeben sich die folgenden Vorteile, die z.T. nicht nur bei sternförmig angeordneten Vierzylinder-Motoren, sondern auch bei in anderer Weise angeordneten Motoren mit Kurbelschlaufentrieb im Vergleich zu konventionellen Verbrennungskraftmaschinen mit Pleueln gegeben sind:

• 1. Der Motor hat wenig bewegte Bauteile. Daraus ergibt sich eine hohe Zu­ verlässigkeit, geringer Verschleiß und daraus resultierend eine hohe Lebensdauer. Außerdem baut der Kurbelschlaufenmotor sehr kompakt. Damit hat er ein hohes Leistungsgewicht und ein geringes Eigengewicht.
• 2. Das Kurbelgehäuse 17 ist von den Zylindern 1 getrennt. Der Kurbeltrieb mit der Kurbelschlaufe 5, dem Kulissenstein 7 und dem Kurbelzapfen 9 kann deshalb über einen eigenen Ölkreislauf geschmiert werden. Bei Zweitaktmotoren ist hierbei eine Gemischschmierung nicht notwendig. Damit ergeben sich gute Abgaswerte und der Motor ist umweltfreundlich. Das Motoröl wird nicht verschmutzt, wodurch sich erheblich längere Ölwechsel­ intervalle ergeben.
• 3. Die durch die herkömmlichen Pleuel verursachten ungleichförmigen Kräfte und Momente entfallen. Beim Vierzylinder-Sternmotor heben sich die Massenkräfte und Massenmomente fast gänzlich auf. Der Motor hat einen ungewöhnlich schwingungsarmen Lauf. Es ergeben sich keine Lateral- oder Reibungskräfte der Kolben 3 auf die Wände der Zylinder 1; damit entfällt das verschleißfördernde Kippen der Kolben 3. Die Reaktionskräfte der sich linear bewegenden Kolben 3 und der Kurbelschlaufen 5 heben sich mit den Fliehkräften der nicht dargestellten rotierenden Ausgleichsmassen des Motors restlos auf.

In den die Zylinder 1 mit den Kolben 3 von dem Kurbelgehäuse 17 trennenden Räumen 13 sind erfindungsgemäß elektrische Lineargeneratoren 21 vorgesehen. Diese bestehen aus jeweils einem auf den Kolbenstangen 4 angeordneten Dauer­ magneten 23 sowie mindestens einer die Kolbenstangen 4 bzw. die Dauermag­ neten 23 umgebenden Induktionsspule 25. Dabei kann es sich um eine soge­ nannte Innenpolmaschine handeln.

Um die Kolbenstangen 4 herum können jeweils mehrere Permanentmagnete 23 an­ geordnet sein, die jeweils von einer entsprechenden Zahl von Induktions­ spulen 25 umgeben sind. Insbesondere trägt bei dem dargestellten Ausführungs­ beispiel jede Kolbenstange 4 vier getrennte Permanentmagnete 23, die stern­ förmig um 90° zueinander versetzt auf der Kolbenstange 4 angeordnet sind (Fig. 2). Jedes Polpaar bzw. jede Induktionsspule 25 wird somit von sepa­ raten Dauermagneten 23 durchfahren. Durch diese Anordnung ist die Möglich­ keit gegeben, die Fläche der sich schneidenden magnetischen Kraftfeldar praktisch beliebig groß zu gestalten, da der Bauraum radial zu den Kolben­ stangen 4 sehr weit genutzt werden kann. Trotzdem ergibt sich dabei eine sehr wirkungsvolle, kompakte Bauweise des Lineargenerators 21. Für jeden einzelnen Lineargenerator 21 ergibt sich am Ende des Hubes der Kolbenstange 4 mit den Permanentmagneten 23 ein Nulldurchgang für die erzeugte elektrische Spannung. Durch die Vierzylinder-Anordnung gleichen sich diese Nulldurch­ gänge derart aus, daß sich ein wellenförmiger Spannungs- bzw. Stromverlauf ergibt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechzehn einzelne Polpaare vorhanden, die optimal miteinander verschaltet werden können. Zur Erzielung eines maximalen Stroms sind Parallelschaltungen ebenso realisier­ bar wie z.B. Reihenschaltungen zum Erreichen höherer Spannungen. Durch den ständigen Synchronlauf der mechanisch starr untereinander gekoppelten Pol­ paare ist ein Aufschalten oder Umschalten selbst unter Last problemlos mög­ lich. Unter Berücksichtigung der Motordrehzahl ist sogar die Möglichkeit gegeben, bei gleichen Frequenzen und Spannungen unterschiedliche Strom­ stärken zu induzieren. Bei der Erzeugung von Gleichstrom würden sich diese Überlegungen zum Teil erübrigen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich gegenüber konventionellen Einrichtungen zur Erzeugung von elektrischem Strom eine sehr hohe Effizienz, eine kompakte Bauweise und damit eine wirtschaftliche Fertigungsmöglichkeit sowie, bedingt durch die Konstruktion, eine hohe Betriebszuverlässigkeit. Die höhere Effizienz ist begründet durch die Möglichkeit, an jeder Kolben­ stange 4 des Vierzylinder-Sternmotors jeweils vier separate Induktions­ spulen 25 zur Erzeugung elektromotorischer Kraft sternförmig anzuordnen. Da­ bei ist die Möglichkeit gegeben, beispielsweise vier oder acht Spulen 25 zur Spannungserhöhung in Reihe zu schalten. Zur Stromerhöhung können eine beliebige Anzahl von Induktionsspulen 25 parallel geschaltet werden. Durch die Möglichkeit der Umschaltung während des Motorbetriebs ergeben sich min­ destens zwei Synchrondrehzahlen bei gleichen elektrischen Frequenzen.

Die kompakte Bauweise der Gesamtanordnung ist zum einen durch das Motor­ system selbst gegeben und zum anderen durch Verwendung eines besonderen Werkstoffs für die Permanentmagnete. Vorzugsweise wird hierzu ein Eisen- Neodin-Bor-Material verwendet, das aufgrund seiner hohen magnetischen Feld­ stärke ein extrem geringes Bauvolumen ermöglicht.

Der Verbrennungsmotor kann mit jedem geeigneten Medium betrieben werden, beispielsweise mit Benzin, Dieselkraftstoff, brennbaren Gasen. Wesentliche Bauteile des Motors können statt aus Metall aus widerstandsfähiger und ver­ schleißfester Keramik gefertigt sein.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Prinzip der Kurbel­ schlaufenanordnung in erster Linie zur Synchronisierung der Bewegungen und zum Anfahren genutzt. Eine Auskoppelung der Wellenleistung wird nur für die Ungleichförmigkeiten der Momente genutzt, die sich aus dem Leistungstrans­ fer in die und aus der Schwungmasse ergeben. Damit ergeben sich insgesamt nur sehr geringe Belastungen des Kurbeltriebs mit entsprechend geringen Reibungsverlusten.

Die durch die Explosion in den Zylindern 1 entstehenden und auf die Kolben 3 wirkenden Kräfte werden direkt über die Kolbenstangen 4 als Induktions­ kräfte auf die Lineargeneratoren 21 übertragen. Hierdurch werden praktisch keine Kräfte nach außen oder über die Kurbelschlaufen 5 an die Kulissen­ steine 7 und die Kurbelzapfen 9 abgegeben (abgesehen von den Synchronisa­ tionskräften). Da somit keine Lateralkräfte an den Kulissensteinen 7 er­ zeugt werden, arbeiten diese ausgesprochen verschleißarm. Darüber hinaus entfallen praktisch alle Reibleistungsverluste, die bei anderen Maschinen­ arten zwangsläufig auftreten. Bei Pleuelmotoren sind dies z.B. die Kolben­ reibung (Abstützung der Pleuelfliehkräfte), die Pleuellagerreibung, die Kurbelwellenlagerung und die entsprechende Reibleistung für Abdichtungs­ elemente wie Simmerringe. Bei konventionellen Maschinen beträgt der Reib­ leistungsanteil für diese Baugruppen etwa 30% des Primärenergieanteils. Um einen großen Teil dieses Betrages erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Motor-Lineargenerator-Maschine gegenüber Generatoraggre­ gaten, die mit konventionellen Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden.

Kolbenkraftmaschinen, die mit Pleueln arbeiten, haben prinzipbedingt freie Kräfte und Momente erster und zweiter Ordnung, die zu großen Schwingungsam­ plituden der Stromaggregate führen. Dagegen arbeitet die erfindungsgemäße Maschine praktisch schwingungsfrei, denn es ergeben sich aufgrund der Kur­ belschlaufenanordnung absolut keine Kräfte und Momente erster oder höherer Ordnung.

Statt des dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem an jeder Kolbenstange 4 mindestens ein Permanentmagnet 23 angeordnet ist, wobei also jeweils eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Lineargenerator 21 in Reihe angeordnet ist, sind viele Abwandlungen des erfindungsgemäßen Prinzips möglich. So können beispielsweise bei einem Vierzylinder-Sternmotor vier Lineargenera­ toren 21 an vier sternförmig und parallel zu den Kolbenstangen 4 des Ver­ brennungsmotors angeordneten zusätzlichen Generatorstangen vorgesehen sein, die über einen Kurbelschlaufentrieb miteinander und mit dem Verbrennungs­ motor verbunden sind. Damit ergibt sich zwar eine in Richtung der Kurbel­ welle längere Maschine, die aber den Vorteil einer in radialer Richtung kompakten Bauweise hat.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Verbrennungsmotar ein Zwei­ zylindermotor sein, dessen beide Zylinder 1 auf einer Zylinderachse Z liegen. Dabei können dann zwei Lineargeneratoren 21 an getrennten Generatorstangen angeordnet sein, die in einer zu der Zylinderebene parallelen Ebene liegen, wobei die Kolbenstangen 4 des Verbrennungsmotors und die Generatorstangen über den Kurbelschlaufentrieb miteinander verbunden sind.

Dabei ist as möglich, die Generatorstangen gegenüber den Kolbenstangen 4 um 90° zu versetzen, so daß sich wiederum eine sternförmige Anordnung er­ gibt.

Es ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der der Verbrennungsmotor ein Zweizylindermotor ist, dessen Zylinder um 90° oder 180° zueinander ver­ setzt in zwei parallelen Ebenen hintereinander liegen, wobei an jeder Kol­ benstange 4 ein Lineargenerator 21 angeordnet ist. Wenn die Zylinder um 90° zueinander versetzt sind, ergibt sich hiermit der Vorteil, daß die Zylinder von einer Seite der Maschine her gut zugänglich sind, während die Lineargeneratoren in einem kühleren Bereich der Maschine arbeiten können.

Hierbei kann der Lineargenerator 21 jeweils auf der dem Kolben 3 gegenüber­ liegenden Seite der Kurbelschlaufe 5 angeordnet sein. Es ist aber auch denk­ bar, daß der Lineargenerator 21 radial zum Kurbeltrieb gesehen im Bereich zwischen dem Kolben 3 und der Kurbelschlaufe 5 angeordnet ist, wodurch sich aine besonders kompakt bauende Maschine ergibt, deren Zylinder beispiels­ weise nach oben weisen und deren durch das Kurbelgehäuse 17 gebildete Kur­ belwanne unten liegt.

Schließlich können die Zylinder 1 und/oder die Lineargeneratoren 21 in benachbarten Ebenen der Maschine, also längs der Kurbelwelle, unter anderen Winkeln als 90° zueinander versetzt angeordnet sein, beispielsweise unter 45°, 60° oder 120°. Hiermit lassen sich Sechs- oder Achtzylinder-Sternmoto­ ren verwirklichen.

Bei allen beschriebenen Anordnungen ist es darüber hinaus möglich, die Ver­ brennungsmotoren und die zugehörigen Lineargeneratoren mehrfach in einer Reihe hintereinander anzuordnen, also entsprechende Reihenmaschinen zu bil­ den.

Die erfindungsgemäße Maschine kann mit Luftkühlung arbeiten. Voraussichtlich wird man in der Praxis jedoch eine Wasserkühlung verwenden. Die Kühlkanäle 27 für die Wasserkühlung der Zylinder 1 können dann durch Kühlkanäle 29 erweitert werden, die die Lineargeneratoren 21 umgeben. Entsprechendes würde für eine Luftkühlung gelten.

Claims (14)

1. Verbrennungsmotor mit mindestens einem an einem linear hin und her be­ weglichen Motorteil angeordneten Permanentmagnet (23), der sich an mindestens einer Induktionsspule (25) zur Erzeugung elektrischer Ener­ gie vorbeibewegt (Lineargenerator 21), dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Kurbelschlaufenmotor ist und daß der Permanent­ magnet (23) an einer Kolbenstange (4) oder an einer mit dieser über den Kurbelschlaufentrieb verbundenen, separat geführten Generatorstange angeordnet ist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehrere Permanentmagnete (23) um eine Stange (4) herum angeordnet sind und daß diese Magnete (23) von einer entsprechenden Zahl von Induk­ tionsspulen (25) umgeben sind.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Stange (4) vier getrennte Permanentmagnete (23) sternförmig um 90° zueinander versetzt angeordnet sind und daß vier Induktions­ spulen (25) bzw. vier Spulenpaare um 90° zueinander versetzt um die Magnete (23) herum angeordnet sind.

4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Vierzylinder-Sternmotor ist und daß an jeder Kolbenstange (4) ein Lineargenerator (21) angeordnet ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Vierzylinder-Sternmotor ist und daß vier Lineargeneratoren (21) an vier sternförmig parallel zu den Kolbenstangen (4) angeordneten Generatorstangen vorgesehen sind, die über den Kurbelschlaufentrieb miteinander und mit dem Verbrennungs­ motor verbunden sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Zweizylindermotor ist, dessen Zylinder (1) auf einer Achse (Z) liegen, daß zwei Lineargeneratoren (21) an getrennten Generatorstangen in einer zu der Zylinderebene parallelen Ebene angeordnet sind und daß die Kolbenstangen (4) und die Generatorstangen über den Kurbelschlaufentrieb miteinander verbunden sind.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorstangen gegenüber den Kolbenstangen (4) um 90° versetzt sind.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Motor ein Zweizylindermotor ist, dessen Zylinder (1) um 90° oder 180° versetzt in zwei parallelen Ebenen hintereinander liegen, und daß an jeder Kolbenstange (4) ein Lineargenerator (21) an­ geordnet ist.

9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lineargenerator (21) radial gesehen im Bereich zwischen Kolben (3) und Kurbelschlaufe (5) angeordnet ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lineargenerator (21) auf der dem Kolben (3) gegen­ über liegenden Seite der Kurbelschlaufe (5) angeordnet ist.

11. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Motoreinheiten und zugehärige Lineargeneratoren (21) mehrfach in Reihe hintereinander angeordnet sind.

12. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zylinder (1) und/oder die Lineargeneratoren (21) in benachbarten Ebenen unter anderen Winkeln als 90° zueinander ver­ setzt angeordnet sind, beispielsweise unter 45°, 60° oder 120°.

13. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (23) aus einem Eisen-Neodin- Bor-Werkstoff bestehen.

14. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung (27, 29) für den Verbren­ nungsmotor und für die Induktionsspulen (25) vorgesehen ist.