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Stand der Technik
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Die Nutzung von Kolbenmaschinen für Antriebsaufgaben im mobilen Bereich wird in aller Regel mit Hilfe des Kurbeltriebs und der Kurbelwelle vollzogen. Die dann zur Verfügung stehende Rotationsbewegung lässt sich durch Zahnradgetriebe mit unterschiedlichen Schaltstufen oder durch stellbare Wandler anderer Art an die Einsatzverhältnisse und damit an unterschiedliche Geschwindigkeitsniveaus anpassen.
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Die übergeordnete Zielsetzung der Effizienzsteigerung zwingt zu Maßnahmen, die den Masseaufwand bei Fahrzeugen reduzieren und die Prozessverluste ohne Zugeständnisse bei der Anpassung vermindern. Der Einsatz der Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor kann durch die Kombination mit einer frühzeitigen Umsetzung in elektrische Energie in zweckmäßiger Weise verbessert werden, weil Elektromotoren als Antriebselemente bei verhältnismäßig kleinem Aufwand an die unterschiedlichen Einsatzverhältnisse anpassbar sind und dabei begrenzte Leistungsverluste entstehen.
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Die bislang verfolgten Prozessvarianten sehen dabei vor, dass der Kolbenmotor mit Hilfe des Kurbeltriebs und drehzahlsteigernder Getriebe einen Generator elektromagnetischer Art antreibt, der das Verbrauchernetz des Fahrzeugs speist. Wird zur regenerativen Verwendung der Bremsenergie ein Schwungmassenspeicher eingesetzt, so muss dieser mit einem zusätzlichen Motor-Generator ausgestattet sein, der in den Speicher konstruktiv einzubeziehen ist und zum Ein- und Ausbringen der Energie dient.
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Bislang vorliegende Denkansätze zur Steigerung der Leistungsdichte werden dadurch behindert, dass bis jetzt keine elektromagnetischen Wandler für eine kombiniert axial-radiale Einsatzweise verfügbar sind, und der Kurbeltrieb als fester Bestandteil der Kolbenmaschine gilt. Dies führt naheliegenderweise dann direkt auf eine ausschließliche Rotationsvariante im Antriebsstrang, die ihrerseits den klassischen rotierenden Wandler als Kopplungsorgan für den Speicher nahe legt.
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Dabei darf angenommen werden, dass durchaus weitere Effizienzsteigerungen für die Antriebstechnik erzielbar sind, wenn der Kolbenmotor stärker auf seine Primärfunktion, die Entwicklung oszillierend angebotener mechanischer Energie beschränkt bleibt. Kurbeltrieb und Kurbelwelle sowie nachgeschaltete mechanische Getriebe sind jedoch sehr massehaltige Funktionsteile. Es erscheint fraglos zweckdienlich, mit einem hochtourigen Schwungmassenspeicher eine verwertbare Voraussetzung für die variable Nutzung der Fahrenergie zu schaffen. Die Heranziehung hochfester Fasern als Speichermaterial liefert hierzu eine gute Basis. Die Ladefähigkeit dieser Geräte ist bekanntlich wesentlich günstiger als diejenige von elektrochemischen Batterien. Der zurückhaltend zu beurteilende Entwicklungsstand auf dem Gebiet der Schwungmassenspeicher geht nicht zuletzt auf die verhältnismäßig aufwendige Art der Energie-Ein- und Auskopplung zurück. Eine Konzeptbereinigung im Sinne der Patent-Aufgabenstellung sollte demnach zwei Schritte enthalten:
- 1. Eine Vermeidung des rotierenden elektrischen Generators zwischen der Kolbenmaschine und dem Schwungmassenspeicher,
- 2. wenn möglich, eine Vermeidung von Kurbeltrieb und Kurbelwelle und weiterer mechanischer Zwischenschritte.
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Bei der hier vorgesehenen Nutzung des Zylinder-Kolbenprinzips als oszillierend bewegter Verbrennungsmotor lässt sich von Forderung 1 ableiten, dass die Energieübertragung für den rotierenden Schwungmassenspeicher ebenfalls durch ein oszillierendes Maschinenteil zu erfolgen hat. Diese somit sehr direkte Energieübertragung erfolgt dann ohne mechanische Getriebe und muss unvermeidlich mit einem elektromagnetischen Übertragungsvorgang für die Axialkraftkomponente verbunden sein. Der Wandler muss diese Kraftanregung zur Beschleunigung der Schwungmasse, also zur Darstellung von Umfangskräften einsetzen. Weiter muss die Funktion der Auskopplung der Schwungenergie in Form einer elektrischen Energieentnahme in der Phase des Stillstands der Kolbenmaschine möglich sein, ohne dass ein zusätzlicher elektromagnetischer Wandler herangezogen wird. Mit der Verwirklichung der zweiten Forderung nach Vermeidung des Kurbeltriebs und der Kurbelwelle ergibt sich aus technischer Konsequenz, dass die Funktionen von Hubbegrenzung und Hubfolge-Kontinuität von anderen Funktionselementen (möglichst massearm) geleistet werden müssen; sie sind für den Betrieb notwendig. Auch für den weitgehenden Massenausgleich ist zu sorgen. Besonders bei hohen Taktzahlen je Zeiteinheit fördert die so genannte Laufkultur des oszillierenden Kolbens Maßnahmen zur Kompensation seiner kinetischen Energie. Die starre Verbindung zweier im gleichen Takt hin- und hergehender Massen stellt für das Problem keine geeignete Lösung dar.
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Die Abhilfe wird zweckmäßig darin bestehen müssen, dass Kolben und Läufer der elektrischen Maschine sich gleichartig in entgegengesetzter Richtung bewegen, wofür eine geeignete Kopplung mechanischer Art anzugeben ist. Mit dem zusätzlichen Einsatz hubbegrenzender Federn lassen sich die hin- und hergehenden Massen sodann in ein schwingungsfähiges System verwandeln, so dass die gestellten Forderungen erfüllbar werden.
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In
WO 2008/028 216 A1 wird eine Einzylinder-Anordnung beschrieben, bei der, ermöglicht durch konstruktive Maßnahmen, die mechanische Verbindung von Kolben und Erregerteil eines Lineargenerators so gestaltet ist, dass die Energieumwandlung durch die Größe des Luftspaltes nicht behindert wird. Weder die Zylinderwand noch eventuelle Teile des Kolbens vergrößern dabei den Abstand zwischen Statoreisen und Permanentmagneten.
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In
DE 431 648 A und
US 1 785 643 A wird die klassische Zweizylinder-Freikolbenmaschine beschrieben. Der Lineargenerator befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Kolben und ist über Kolbenstangen mit diesen verbunden.
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In
WO 2008/028 216 A1 und
US 1 785 643 A finden die Krafteinleitungen jeweils in ein linear bewegtes Erregerteil des Lineargenerators statt und ermöglichen die Leistungsübertragung an diesen Wandler.
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Die
JP H06-288 253 beschreibt eine Freikolbenmaschine mit rotierendem Kolben und einer zusätzlichen Einrichtung zur teilweisen Auskopplung der rotatorischen Energiekomponente in einen Schwungmassenspeicher über ein mechanisches Getriebe.
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In
WO 2010/125 352 A1 wird hingegen eine Doppelzylinderanordnung beschrieben, die als solche auch rotationsfähig sein soll, wobei sich eine oszillatorische Bewegungskomponente einer gleichförmigen Rotationsgeschwindigkeit überlagert. Eine Kraftübertragung auf einen mit dieser Einrichtung gekoppelten Schwungmassenspeicher soll möglich sein.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Die Erzeugung einer Umfangskraft mit Hilfe einer hin- und hergehenden Antriebsbewegung, dargestellt durch die axial und oszillierend verlaufende Kolbenbewegung, die durch den Verbrennungsvorgang im Zylinder einer Kolbenmaschine hervorgerufen wird, erfordert in Abweichung von der herkömmlichen Ausführung elektrischer Maschinen eine besondere geometrische Anordnung der aktiven Teile. In 1 sind die wesentlichen Baugruppen einer in eine Schwungmassenanordnung integrierten Mehrfunktionsmaschine SE und der Kolbenmaschine KM in axialer Verbindung dargestellt. Für letztere ist angenommen, dass sie im Wesentlichen aus Zylinder Z und dem axial beweglichen Kolben K sowie den am oberen Zylinderende vorgesehenen Ein- und Auslassvorrichtungen Vv besteht, wie sie z. B. von Viertakt-Motoren bekannt sind.
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Dabei ist das rotierende Teil der elektrischen Maschine Er mit dem Schwungrad Sm mechanisch fest verbunden. Die nach der oben formulierten Forderung 2 der Aufgabenstellung gewünschte Gegenläufigkeit von Kolben K und Läufer Es ist in 1 nicht gezeichnet. Die Trennstelle Bu deutet auf diesen Umstand hin. Im Läufer der elektrischen Maschine Es findet keine Drehbewegung statt. In 1 wird vorausgesetzt, dass die Größe der Hubbewegung derjenigen des Kolbens entspricht. Die in der Wicklung von Es, die mit konstanter Ganghöhe schraubenförmig angeordnet ist, fließenden Wechselströme können über die Verbindungsstange Kl und die Anordnung einer Schleifkontaktverbindung in axialer Richtung El zum stationären Netz Ne über den Wechselrichter WR herausgeführt werden. Zwischen dem rotierenden Teil des Wandlers SE und dem axial beweglichen Teil entstehen bei Bewegung Wechselwirkungen im Funktionssinne einer Synchronmaschine. Hierzu sind die Stromwechsel im Bauteil Es mit der Geschwindigkeit der Relativbewegung abzustimmen. Dies erfolgt über eine Positionserfassung P und eine Regelelektronik Re, in der auch die Bewegungsgeschwindigkeit ermittelt werden kann, Positions-Sensor P und Regler stehen in Verbindung mit dem Wechselrichter WR, wo die Zündzeitpunkte und die Zündfolge zur Stromanpassung veranlasst werden. Die in 1 gezeichnete Verbindung zwischen der Kolbenmaschine KM und dem rotierenden Schwungrad mit der Wandlerkombination SE erfolgt über das Gehäuse GK und das in Gl integrierte Lager, das auch axiale Kräfte aufnehmen kann. Die Radialführung des rotierenden Teils wird durch das untere und obere Radiallager gewährleistet, an dem sich die Schubstange Ks und die Führung des Läufers Kl abstützen. Für schnell rotierende Schwungmassen sind zur Reduktion der Reibungsverluste Maßnahmen zur Absenkung des Luftdrucks (Teilvakuum) erforderlich, die in 1 nicht gezeichnet sind. Mit 1 wird darauf verwiesen, dass der Hauptanteil der Schwungenergie im äußeren Teil von SMs, also in Sm gespeichert wird, während SE mit kleinerem Durchmesser ausgeführt ist und nur mit einem kleineren Teil zur Schwungmasse beiträgt. Demgemäß tritt am inneren Rand von Er auch nur eine deutlich kleinere tangentiale Umfangsgeschwindigkeit vt auf als im eigentlichen Schwungteil Sm.
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Dem Gedanken der Speichertechnik folgend ist die erzielbare Energie je Masseneinheit in einem ringförmigen Körper annähernd proportional zu dessen Festigkeit bzw. zur auftretenden Zugspannung. Daraus ergibt sich, dass die Energiedichte dem Quadrat der dort herrschenden Umfangsgeschwindigkeit proportional ist. Die mit der Skizze 1a dargestellte vereinfachte Sicht auf die zylindrische Anordnung von Läuferteil Es und Reaktionsteil Er des Wandlers SE ermöglicht Aussagen über die auftretende Leistung und die Wirkung der Kraftkomponenten mit ihrem Bezug zur Geometrie der Anordnung. Es wurde bereits erwähnt, dass hier, verursacht durch die Kolbenmaschine KM, die oszillierende Axialkraft Fa invers über die Schubstange Ks und symbolisch angedeutet durch Bu am Läufer angreift und somit in entgegengesetzter Richtung zur Kolbenkraft wirksam ist, was die Geschwindigkeit va hervorruft. Die damit dem Läufer zugeführte mechanische Leistung Pa ergibt sich aus dem Produkt dieser beiden Größen. Die Übertragung der Leistung auf das rotierende Maschinenteil erfolgt durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den in Schraubenform angeordneten Leitern und deren Strömen in Es und dem in gleicher Schraubenform angeordneten Erregerteil Er mit den Polen seines Magnetfeldes. Dabei gilt die Annahme, dass durch Frequenzanpassung das Strommuster gegenüber dem magnetischen Feld von Er über den Wechselrichter WR so geändert wird, dass die Relativbewegeng zwischen Feld- und Strommuster weitgehend vermieden wird. Es handelt sich damit um die Wechselwirkung einer Synchronmaschine. Um der anregenden Axialkraft Fa entsprechen zu können, ist nach 1a die auf dem Verlauf des Leitersystems senkrecht stehende Kraft notwendig. Sie folgt aus dem Produkt von Felddichte und Strom. Die in Umfangsrichtung wirkende Kraftkomponente ist mit Ft bezeichnet.
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Wie in 1b dargestellt, kann durch Zufuhr der vom Kolben übertragenen axialen Leistung Pa der Schwungmasse in tangentialer Richtung die Leistung Pt zugeführt werden, und sofern sich ein Überschuss an Leistung ergibt, auch ein Teil Pel in das elektrische Netz mit der Spannung U übertragen werden.
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Für den zweiten wichtigen Anwendungsfall wird mit 1c bei stillstehendem Kolbenmotor und stillstehendem Läufer Es und schnell rotierender Schwungmasse durch Wahl des Zündmusters in WR und bremsende Wirkung der Ströme von Es der Schwungmasse Sm Leistung entzogen, die in elektrische Leistung Pel umgesetzt und dem Netz zugeführt wird. Es soll erwähnt werden, dass auch ein Positionstausch der Teile Es und Er grundsätzlich möglich ist.
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Mit 2a, 2b und 2c werden weitere Hinweise auf die geometrischen Beziehungen zwischen den Kraft- und Leistungskomponenten gegeben. 2a zeigt die Winkelbeziehung zwischen der Axialkraft Fa und der elektromagnetisch relevanten Komponente Fa0. Der Winkel α ist der Ergänzungswinkel zum Winkel der Schraubensteigung. Für den Winkel α = 0 verschwindet die übertragbare Kraftkomponente Fa0. In 2b ist die Zerlegung der Umfangskomponente Ft bei gleichem Winkel α gezeigt. Die elektromagnetische Übertragungswirkung führt nur dann zu zeitlich konstanten Leistungen, wenn Kraft und Geschwindigkeit die Richtung senkrecht zur Stromrichtung einhalten. Auf diesen Umstand wird durch die Komponentenzerlegung und die Gleichungen in der Tabelle 2c hingewiesen. Die scheinbare Missachtung des Energiegesetzes und des Erhalts der Leistungen rührt daher, dass bei Abweichung von Kraftteilen von der normalen Richtung ein Teil der Wechselwirkung zu fluktuierenden Größen für die Leistung führt.
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Um die beschriebenen Leistungsbeziehungen in einem weitgehend stationären Betrieb verwirklichen zu können, erscheint es notwendig und zweckmäßig, die erforderliche Hubbegrenzung sowie die Betriebsverstetigung und die Bewegungsumkehr durch ein mechanisches Führsystem einfacher Art vorzunehmen. Dies kann erreicht werden, wenn mit 3 zwischen dem Kolbenmotor KM und dem elektromagnetischen Wandler SE eine Vierhebelmechanik H mit zwei aufeinander senkrechten Führungen Vt in Kolbenrichtung und Vq in Querrichtung vorgesehen werden und Federn F in beiden Achsen die Rückstellwirkung zur Hubmitte hin auslösen. In der gezeichneten Form wirken die Federn jeweils als Druckfedern. Die vorgesehene Bewegungskopplung für sich gegenüber stehende Massen führt zur Gegenläufigkeit. Hierdurch kommt ein automatischer Ausgleich der den Massen zugeordneten kinetischen Energien zustande – Massengleichheit vorausgesetzt. Letztere kann gegebenenfalls durch Zusatzmassen herbeigeführt werden. Die Federsteifigkeit c und die Größe der bewegten Massen m bestimmen in bekannter Weise die Schwingfrequenz (Eigenfrequenz) des ungedämpften Schwungsystems ω = √c/m'. ω stellt die Kreisfrequenz der harmonisch (sinusförmig) verlaufenden Kolbenbewegung dar. Solange c und m konstant sind und die Reibungsverluste durch Energiezufuhr gedeckt werden, bleibt auch die Schwingfrequenz konstant. Bei der beschriebenen Energiezufuhr nach 1b und 2c, Fall a, erfährt die invertierte Kolbenkraft Fa durch Belastung von SE über WR eine gleichgroße Gegenkraft, so dass auch in dieser Phase die Geschwindigkeit und die Frequenz der harmonischen Bewegung erhalten bleiben. Im Betriebsfall b von 2c gilt, dass durch den Energieentzug die Geschwindigkeit vt langsamer und die von ihr abgeleitete Frequenz kleiner wird. Unter der Voraussetzung, dass es sich bei Sm um eine verhältnismäßig große Masse und bei der Umfangsgeschwindigkeit um einen nennenswerten Betrag handelt, ist der durch SE bewirkte Bremseinfluss auf das Verhalten der momentanen Betriebsfrequenz jedoch gering. Das bedeutet, dass die Bewegung innerhalb gewisser Grenzen harmonisch mit kaum feststellbaren Abweichungen verläuft. Zur Sicherstellung des Synchronbetriebs des elektromagnetischen Wandlers bei (langsam) sich ändernder Geschwindigkeit des Schwungmassenspeichers ist für beide Betriebsfälle a und b eine Frequenzanpassung erforderlich. Hierzu zeigt der oben angegebene Zusammenhang zwischen der Schwingfrequenz und der Steifigkeit der Federn den Weg. Die Kreisfrequenz ist proportional c0,5.
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Durch eine stellbare Federsteifigkeit c kann ω und damit die Geschwindigkeit va den Betriebsfällen angepasst werden. In 3 ist angenommen, dass in der Querachse eine stellbare Feder Fz mit der Charakteristik einer Zug- und Druckfeder zusätzlich zu den Federn F zur Wirkung kommt. Wenn es sich bei Fz um eine Druckluftfeder handelt, kann z. B. über den stellbaren Luftdruck die Steifigkeit c verändert werden. Es kann so die Anpassung der Frequenz an die Geschwindigkeit erfolgen. Bei feststehendem Steigungswinkel der schraubenförmigen Wicklungsanordnung ergibt sich ein festes Verhältnis zwischen der mechanischen Schwingfrequenz ω und der elektrischen Betriebs-Kreisfrequenz ωe.
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Die in 3 gezeichneten Hinweise auf die Regelung bedeuten, dass im allgemeinen Fall sowohl die Positionserfassung P von Es gegenüber Er als auch die Verknüpfung zwischen der Einstellung der Federsteifigkeit c durch Druckbeeinflussung der Luftfeder Ds und der Festlegung der Zündfolge beim Wechselrichter WR zu beachten sind.
