DE102014001770A1 - Verbrennungskraftmaschine mit linearer elektrischer Führung - Google Patents

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Abstract

Eine Verbrennungskraftmaschine mit elektrischem Ausgang nach dem Stand der Technik besteht aus einem Verbrennungsmotor mit Pleuel, Kurbelwelle, Schwungscheibe und einem elektrischen Generator. Das Ziel der vorgeschlagenen Anordnung ist es, den mechanischen Aufbau auf ein Minimum zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu verbessern. Die Lösung des Problems beruht auf einer Weiterentwicklung des bekannten Freikolbenprinzips, bei dem der Kolben nur durch eine Gasdruckfeder in Resonanz geführt wird. Die Lösung vereinfacht den mechanischen Aufbau mit einer Kolbenmaschine (1) dadurch, dass sie den sowieso vorhandenen elektrischen Generator (2) so bemisst und mit einer Steuereinheit (3) steuert, dass er eine zur Führung des Kolbens im Generator- und Motorbetrieb ausreichende Kraft ausübt und so eine Gasdruckfeder samt ihren Nachteilen überflüssig macht. Darüber hinaus wird die Bewegung des Kolbens (5) frei gestaltbar und nicht durch eine Resonanz oder Schwungscheibe starr vorgegeben. Gegenüber den starren Führungen sind damit Freiheitsgrade wie die Festlegung der Kolbengeschwindigkeit für einen optimalen Verbrennungsablauf im Arbeitstakt, Takte unterschiedlicher Dauer nach den Erfordernissen der Prozesse und ein variabler Hubraum nutzbar, die einer bisher unbekannten Optimierung der Vier- und Zweitaktprinzipien dienen. Als absolute Neuheit ist damit auch ein erfindungsgemäßer Dreitakt-Betrieb möglich, der neben den Takten Verdichten und Arbeiten als dritten Takt einen Pausentakt aufweist, während dem bei ruhendem Kolben das Ausstoßen und die Füllung mit Frischluft erfolgen. Er erspart die Kolbenbewegung zum Ausstoßen und Füllen. Dazu werden Anordnungen auf der Basis des in der Zeichnung dargestellten Schemas beschrieben, bei denen die mechanischen Aufwendungen minimiert sind und mehr die im Zuge der Elektrifizierung und Digitalisierung des Autos kostengünstig werdenden Technologien der elektrischen Maschinen, Leistungselektronik, Speicherung, Hard- und Software zum Einsatz kommen. Als Anwendungsgebiet bieten sich vorteilhaft Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb wie HEV (Hybrid Electric Vehicle) und PHEV (Plug-in Electric Vehicle) sowie mit Elektrische Fahrzeuge mit Batterie BEV (Battery Electric Vehicle) an. Des weiteren sind damit wartungsarme und langlebige Anordnungen zur Kraft-Wärme-Kopplung im mobilen wie stationären Betrieb hervorragend zu gestalten.

Description

  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor samt einem Energiewandler zu elektrischer Energie mit einem Minimum an mechanischem Aufwand zu gestalten, um hohe Zuverlässigkeit, hohe Lebensdauer und geringen Kosten bei Massenfertigung und Wartung zu erzielen bei gleichzeitig höchstem Wirkungsgrad und geringem Schadstoffausstoß.
  • Es ist seit 1923 [Eugene Jordan, US 1,544,010 ] bekannt, einen Zweitakt-Gasdruck-Freikolbenmotor mit einem elektrischen Lineargenerator zur Energieentnahme zu betreiben. Eine Liste von Quellen der 90-jährigen Geschichte der Weiterentwicklung dieser Idee findet sich in einer Darstellung von Daniel Hagen [www.freikolben.ch/]. Der heutige Stand der Technik dürfte sich in (Florian Kock > FKLG als Range Extender > http://elib.dlr.de/82499/2/e-Monday_25.03.2013_Pitch_von_Herrn_Florian_Kock.pdf Veröffentlichung des Instituts für Fahrzeugkonzepte über das Projekt Freikolben Lineargenerator zur Stromerzeugung] finden. Die Verbrennungsmaschine (VM) ist demgemäß eine Zweitakt-Kolbenmaschine mit Ventilen oder Schlitzen, die mit einer Gasdruckfeder (GF) schwingt. Die Schwingung beruht darauf, dass im Oberen Totpunkt (OT) die Schwinungsenergie als Volumensarbeit im komprimierten Gas im Verbrennungsraum liegt. Dann wird die Verbrennungsenergie zugeführt, die während des folgenden Arbeitstaktes und Kompressionstakt dem Schwingungssystem durch einen elektrischen Generator entnommen wird. Nach dem Arbeitstakt mit dem Kolben der VM im Unteren Totpunkt (UT) ist die Energie des schwingenden Systems als Volumenarbeit in der Gasfeder gespeichert. Zwischen OT und UT wird in beiden Takten ein Teil der Energie durch die Bewegung der Massen von den Kolben der VM und der GF sowie dem Läufer des elektrischen Generators zwischengespeichert. Der elektrische Generator wird als lineare elektrische Maschine EL ausgeführt.
  • Daneben gibt es auch Konzepte, wie zum Beispiel [ US Pat 3,105,153 1.], die anstelle der passiven Gasfeder einen zweiten Verbrennungsraum setzen, wobei wechselseitig immer dann, wenn der erste Verbrennungsraum im Arbeitstakt expandiert der zweite ähnlich wie eine passive Gasfeder komprimiert.
  • Das Anlassen von Freikolbenmaschinen erfolgt nach dem Stand der Technik wie beispielsweise von Florian Kock [s. o.] beschrieben, durch Aufschaukeln des Läufers, bestehend aus den Kolben von VM und GF sowie des Läufers der elektrischen Linearmaschine (EL). Dazu wird die EL als Motor betrieben. Das Aufschaukeln hilft, die Leistung der EL gering und nur ausreichend für die Abführung der vom VM erzeugten Leistung während des Arbeits- und Kompressionstaktes zu dimensionieren. Die schwingende Zweitakt-Kolbenmaschine wird in der Literatur als eine elegante mechanische Lösung beschrieben, insbesondere wenn sie masseneutral im Gleichtakt von Anordnungen mit gegenläufigen Kolben betrieben wird.
  • Freikolbenanordnungen nach dem Zweitakt-Prinzip sind jedoch vollständig vom Hauptstrom der Entwicklung der Verbrennungsmotoren abgekoppelt, die vom Viertakt dominiert wird. Einen Vier-Takt-Betrieb erlaubt eine Anordnung mit zwei gegenläufigen Gasfedern, von denen eine über Ventile steuerbar ist, wie sie in DE 10 2011 000 620 A1 unter anderem beschrieben wird. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass bei allen Freikolbenanordnungen die Bewegung des Kolben der Verbrennungsmaschine durch die Schwingung der Masse des Läufers mit mindestens einer Gasfeder vorgegeben ist.
  • Der in Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu Grunde, zur Vereinfachung der Mechanik auf die mindestens eine Gasdruckfeder zu verzichten und dafür den Kolben der VM durch die für die Entnahme der Energie sowieso vorhandenen elektrische Linearmaschine EL elektrisch so zu führen, dass ohne weitere mechanische Vorrichtungen viele Betriebsarten möglich sind, auch vier Takte.
  • Dieses Problem wird durch das im Patentanspruch 1 aufgeführte Merkmal gelöst, dass die elektrische Linearmaschine EL in allen Takten des Verbrennungszyklus eine zur Führung ausreichende Kraft auf den Kolben ausüben kann. Dazu ist der Kolben der VM fest mit dem elektrischen Läufer der EL zu einem gemeinsamen Läufer verbunden. Im Gegensatz zur Freikolbenmaschine mit Gasfeder nach dem Stand der Technik erfolgt bei dieser beanspruchten linear elektrisch geführten Kolbenmaschine (LEGK) der Betrieb mit einer Läuferbewegung, bei der im oberen Totpunkt OT der VM nach dem Kompressionstakt die „Schwingungs”-energie als Volumenarbeit, im unteren Totpunkt UT nach dem Arbeitstakt und gegebenenfalls weiteren Takten bis zur neuerlichen Kompression des VM allein elektrisch gespeichert ist. Die Linearmaschine EL übernimmt die Aufgabe des Energiewandels in beide Richtungen mechanisch-elektrisch und umgekehrt und die Aufgabe der Führung des Kolbens.
  • Die mit der Erfindung nach diesem Anspruch erzielten Vorteile bestehen darin, eine Verbrennungskraftmaschine mit prinzipiell nur einem einzigen bewegten mechanischen Teil zu haben. Dabei wird von gegebenenfalls genutzten elektrisch betätigten Ventilen zum Ein- und Auslass abgesehen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den folgenden Ansprüchen.
  • Im Einzelnen wird nach Anspruch 2 damit für einen Viertaktbetrieb oder einen Zweitaktbetrieb in allen Takten eine für die Wirkung der VM optimale Kolbenführung möglich, im Gegensatz zur Kolbenmaschine mit Kurbel und Schwungrad, bei der die Führung zwangsweise sinusförmig ist oder der Freikolbenmaschinen, bei denen die Führung durch die freie Schwingung zwischen der Verbrennungsmaschine und mindestens einer Gasfeder vorgegeben ist. Dazu wird nach dem in 2. gezeigten Zusammenhang das Feld des Ständers der Linearmaschine EL so bewegt, dass die erforderliche Kraft bremsend oder antreibend auf den Kolben der VM ausgeübt wird. Dies kann nach den Prinzipien einer Steuerung oder Regelung mit der Erfassung der Position des Kolbens durch Positionssensoren und mit vorgegebenen Sollwerten erfolgen. Bei dem mit einer Linearmaschine EL nach Anspruch 1 möglichen Viertaktbetrieb wird im Arbeitstakt die Kompressionsenergie und die durch die Verbrennung zugeführte Energie durch die EL als Generator vollständig entnommen und dem elektrischen Speichersystem zugeführt. Für die Takte Ausstoßen und Ansaugen wird relativ wenig Energie aus dem Speichersystem für die EL im Motorbetrieb entnommen. Für den Takt Verdichten wird die Kompressionsenergie dem elektrischen Speicher entnommen. Für diesen Zyklus wird die Leistung der gesamten elektrischen Anordnung so bemessen, dass sie in jedem der zwei Takte Arbeiten und Verdichten die gesamte auftretende Energie transportieren kann. Die während den Takten auftretende kinetische Energie von Kolben und Läufer kann bei Betrachtung der Endpunkte OT und UT außer acht gelassen werden.
  • Der vielfältige Vorteil besteht in den Möglichkeiten durch eine Steuerung oder Regelung mit einem Soll-Bewegungsverlauf den Zyklus der VM zu optimieren, beispielsweise um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Dafür kann der Verlauf vorgegeben werden, beispielsweise um durch schnelle Expansion die Verbrennungsenergie besser zu nutzen. Es können aber auch die Dauern der Takte einzeln festgelegt werden, beispielsweise kann man den Ansaugtakt verlängern um die Füllung beim Ansaugen zu verbessern und man kann das Ausstoßen verkürzen, um eine höhere Frequenz der Arbeitstakte zu erzielen. Kurz zusammengefasst: Gegenüber den starren Führungen sind damit Freiheitsgrade wie die Festlegung der Kolbengeschwindigkeit für eine optimalen Verbrennungsablauf und den Arbeitstakt, Takte unterschiedlicher Dauer nach den Erfordernissen der Prozesse und ein variabler Hubraum nutzbar, die einer bisher unbekannten Optimierung der Vier- und Zweitaktprinzipien dienen.
  • In Anspruch 3 wird ein nach Anspruch 1 möglicher neuartiger Betrieb mit 3 Takten beschrieben. Dabei verlaufen der Kompressions- und Arbeitstakt, wie oben beschrieben, wie bei einer Viertakt-Kolbenmaschine. Im Bereich des UT zum Ende des Arbeitstakts wird jedoch eine Bewegungspause eingelegt, was ohne weiteres möglich ist, da der Läufer sowieso zur Umkehr der Bewegung zur Ruhe geführt wird. Die Lage des Kolbens wird dabei durch die EL genau vorgegeben. In diesem Takt der Bewegungspause werden die Verbrennungs- oder Auspuffgase abgeführt, gegebenenfalls gespült und der Verbrennungsraum neu gefüllt. Dies kann durch betätigte Ventile oder durch Schlitzventile in der Kolbenwand, die vom Kolben freigegeben werden, gesteuert werden. Unterstützt wird der Vorgang vorteilhaft durch eine Ladevorrichtung. Die Ladevorrichtung liefert eine unter Überdruck stehend Ladeluft. Sie kann durch einen Ladekompressor, der durch die Auspuffgase in Art eines Abgasturbos angetrieben wird oder durch Nutzen des Hubraums an der der Kolben-Rückseite oder durch einen elektrisch angetrieben Kompressor geliefert werden. Des weiteren können in der Bewegungspause können auch Maßnahmen zur Schmierung des Kolbens und zur Kühlung des Auslassbereichs im Rahmen der zur Füllung gelieferten Luft erfolgen. Die erwähnte geringe Bewegung in der Bewegungspause bzw. Ruhetakt dient dazu, die gleitende Reibung des Kolbens aufrecht zu erhalten und die Schmierung des Kolbens im Zylinder zu unterstützen.
  • Beim klassischen Viertakt wird der Kolben zum Ausstoßen und Ansaugen auf und ab bewegt. Auf diese Kolbenbewegung, die Verluste und Verschleiß mit sich bringt, wird beim 3-Takt-Betrieb vorteilhaft verzichtet. Der erfindungsgemäße 3-Takt Betrieb bietet mit seiner frei steuerbaren Kolbenbewegung im Kompressions- und Arbeitstakt und der Bewegungspause mit keiner oder einer nur geringen Bewegung des Kolbens einen zu höchstem Wirkungsgrad entwickelbaren Wandler.
  • Für jede der Betriebsarten der linear elektrisch geführten Verbrennungsmaschine werden die Leistungselektronik, das System der elektrischen Energiespeicher und die elektrische Linearmaschine EL so ausgelegt und betrieben, dass beim Wandel der Energie nur geringe Verluste auftreten.
  • Anspruch 4 bringt die Anforderungen an die Reaktionszeit der zur Führung dienenden Einheiten, welche die Hardware der digitalen Steuerung der Leistungselektronik, mindestens einen Computer, Sensoren und Aktuatoren für den Verbrennungsmotor und Sensoren für die elektrische Maschine umfasst einschließlich software-gesteuerten Funktionen des Computers und der Wicklungen der Maschine. Die Reaktionszeit muss so kurz sein, dass die zu jedem Zeitpunkt nötige Kraft für die gewünschte Bewegung des Kolbens zeitgenau eingestellt werden kann. Die Reaktionszeit reicht von der Signalabgabe der Sensoren für die Lage des Läufers bis zur Einstellung der Kraft der Linearmaschine daraufhin. Sie soll zeitgenau, das heißt so kurz sein, dass die Bewegung des Kolbens den gewünschten Ablauf des Verbrennungszyklus gewährleistet und Schwingungen vermieden werden. Diese Reaktionszeit umfasst die Laufzeit des Signals über den Computer mit seinen softwaregesteuerten Rechenprozessen, die Leistungselektronik, bis hin zum Aufbau des magnetischen Flusses in der Linearmaschine.
  • Das System nach den Ansprüchen 1 bis 4 wird im mechanischen Teil mit VM und EL einfach zu gestalten sein, nicht aber bei den nicht mechanischen Einheiten. Sie werden so komplex sein wie ein Smartphone mit Applikationen und vielen Sensoren des Jahres 2014. Daher ist nach Anspruch 5 eine Architektur von Soft- und Hardware vorzusehen, die einen ähnlichen Betrieb mit Updates und die Rückmeldung von gesammelten Daten über mindestens eine Kommunikationsschnittstelle zu Kommunikationsnetzen vorsieht. Damit kann jede Maschine auch im mobilen Einsatz zur Weiterentwicklung aufgrund der Betriebserfahrung beitragen und auch daraus wieder profitieren.
  • In Anlehnung an Begriffe aus der Informations- und Kommunikationstechnik (SDR, SDN, SDS, SDDC entsprechend Software Defined Radio, -Network, -Storage, -Data Center) wird eine Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5 durch den Begriff Software Defined Engine/Generator (SDEG) beschrieben. Der entscheidende Vorteil der SDEG besteht darin, dass vor allem Entwicklungsfortschritte und Anpassungen an spezifische Treibstoffe oder Aufgaben mit verschiedenen Softwareversionen implementiert werden können, die aus einem Kommunikationsnetz, beispielsweise aus dem Internet, nachgeladen werden, wobei die vorhandenen Anordnung mit Kolben- und elektrischer Linearmaschine sowie alle elektrischer Hardware unverändert bleibt.
  • Anspruch 6 betrifft eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Verbrennungskraftmaschine als Doppelkolbenmaschine, so die DIN-Bezeichnung, mit gegenläufigen Kolben, auch als Gegenkolbenmotor seit 1877 bekannt, und je einer elektrischen Linearmaschine EL je Kolben wie im Anspruch 1 beschrieben. Durch die gegenläufig bewegten Massen ist diese Anordnung masseneutral und damit erschütterungsarm zu betreiben. Die Gegenkolbenmaschinen haben sich zwar nur in Anwendungen mit geringen Stückzahlen behauptet, die Tatsache, dass sie bis heute mit Vorteilen gegenüber konventionellen Reihenkolbenmotoren mit modernen Werkstoffen entwickelt und gebaut werden, zeigt ihre noch nicht verblichene Attraktivität.
  • Anspruch 7 betrifft die Verwendung von Schlitzventilen, die durch die elektrische Führung nach Anspruch 1 je Kolben einstellbar sind. Dieser Anspruch verdient es besonders hervorgehoben zu werden, da nach ihm das Öffnen und Schließen von Schlitzventilen unabhängig von der Dynamik des Kolbens im Verdichtungs- und Arbeitstakt präzise gesteuert werden kann.
  • Nach Anspruch 8 wird die elektrische Linearmaschine EL vorteilhaft als tubulare lineare Maschine mit Permanentmagneten im Läufer ausgeführt. Sie kann mit einem kurzen Läufer und einem längeren Ständer oder mit langem Läufer und kurzem Ständer ausgeführt sein. Ein kurzer Ständer mit den Drei-Phasen-Wicklungen verspricht einen höheren Wirkungsgrad. Die Wicklungen im Ständer werden vorteilhaft flüssigkeitsgekühlt, der Läufer sollte gasgekühlt sein. Weiterentwicklungen der tubularen Bauform mit konzentrischen Anordnungen mit mehr als einer Ständerwicklung und mehr als einer Läuferanordnung sind denkbar, um kompaktere Bauformen zu erzielen.
  • Die Linearmaschine EL ist so zu dimensionieren, dass sie im Laufe des Kompressionstaktes die Volumenarbeit samt den mechanischen Verlusten aufbringt. Dabei kann die Dynamik der Bewegung der Masse des Läufers genutzt werden, um die hohe Kraft vor dem OT aufzubringen. Das heißt, die EL kann die Volumensarbeit verteilt über den gesamten Verdichtungstakt erbringen und braucht den hohen statischen Druck im OT nicht zu halten. Im Arbeitstakt ist die Arbeit, die von der EL abtransportiert wird, noch um die Verbrennungsenergie größer. Demgegenüber sind die Energiebeträge in den zwei weiteren Takten des Viertaktbetriebs geringer. Im Falle des Dreitakt-Betriebs ist die von der EL im Pausentakt zu erbringende Energie extrem gering. Für die dabei auftretende Leistung der EL ist die Dauer der Takte von Bedeutung, die bei der linear elektrisch geführten Verbrennungsmaschine unterschiedlich sein kann. Dabei wird sich die Dauer des Arbeitstakts nach einem optimalen Verbrennungsablauf richten. Da der Kompressionstakt sehr kurz sein kann wird seine Dauer vor allem von der Dynamik des Läufers und der Leistung der EL bestimmt. Im Hinblick auf den Betrieb der EL mit hohem Wirkungsgrad sind hohe Kolbengeschwindigkeiten beim Kompressions- und Arbeitstakt zu beachten. Der Ausstoß- und Ansaugtakt beziehungsweise der Pausentakt wird von der möglichen Geschwindigkeit der Gaswechsel-Prozesse abhängen. Im Hinblick auf die Leistung und den Wirkungsgrad der EL sind dies Ruhezeiten.
  • Die Linearmaschine EL ist nach dem Stand der Technik als Synchronmaschine mit Permanentmagnet-Läufer und einer Dreiphasenwicklung im Ständer ausgestattet, die durch eine Leistungselektronik mit einer Dreifach-Halbbrücke im 4-Quadranten-Betrieb im Puls-Dauerbetrieb gespeist wird. Damit kann das magnetische Feld des Ständers jederzeit so positioniert werden, dass auf den Läufer die gewünschte Kraft ausgeübt wird, unterhalb der maximalen Kraft, der bekannten Kippkraft der Synchronmaschine. Die Dreifach-Halbbrücke ist nach dem Stand der Technik mit IGBT Schaltern ausgestattet. Sie werden von einer Steuerung angesteuert, bestehend aus einem Computer mit Software oder einer Steuerlogik, die eine Steuer- oder Regelfunktion mit mindestens einem Sensorsignal eines Positionssensors für die Kolbenposition umfasst. Andere linear aufgebaute elektrische Maschinen können ebenfalls eingesetzt werden.
  • Bei der Gestaltung des elektrischen Energiespeichersystems ist auf dessen Gestaltung für impulsförmige Belastung und höchsten Wirkungsgrad Rücksicht zu nehmen. Mit passiven elektrischen Komponenten wie Kondensatoren und Spulen und vor allem elektro-chemischen Energiespeichern ist dies zu erreichen.
  • Die Anforderungen an die Leistung der elektrischen Einrichtungen können nach Anspruch 9 reduziert werden. Die dafür eingesetzte kleine Gasfeder wird so bemessen, dass sie im OT entspannt, im UT in etwa die halbe Volumenenergie aufnehmen kann. Durch die kleine Gasfeder hat die Führung des Kolbens durch die EL in einzelnen Takten weniger Freiheit.
  • Die Kolben-Linearmaschine-Anordnungen der Ansprüche 1 bis 4 wurden für eine Einheit beschrieben. Nach dem Stand der Technik für Freikolbenanordnungen ist bekannt, dass mindestens zwei dieser Kolben-Linearmaschine-Anordnungen in einer masseneutralen Gegenkolbenanordnung synchronisiert betrieben werden, in unserem Fall durch die elektrischen Maschinen synchronisiert. Zu diesen Anordnungen ist auch die bekannte Doppelkolben-Anordnung zu zählen, bei der nur ein gemeinsamer Verbrennungsraum für die gegenläufigen Läufer vorliegt. Mit jeder dieser bekannten masseneutralen Anordnungen mit mindestens zwei gegenläufigen Kolben-Läufern werden die Schwingungen von Einkolben-Anordnungen kompensiert.
  • Als Anwendungsgebiete bieten sich vorteilhaft Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb wie HEV (Hybrid-Electric Vehicle) und PHEV (Plug-in Electric Vehicle) sowie elektrische Fahrzeuge mit Batterie BEV (Battery-Electric Vehicle) und Reichweitenverlängerer (Range Extender) an. Des Weiteren sind damit wartungsarme und langlebige Anordnungen zur Kraft-Wärme-Kopplung im mobilen wie stationären Betrieb hervorragend zu gestalten. Dies schließt, beispielsweise beim BEV mit Range-Extender, den Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung immer dann ein, wenn Wärmeenergie zur Heizung des Wagens benötigt wird und gleichzeitig die anfallende elektrischen Energie für den Antrieb oder das Laden der Energiespeicher genutzt werden kann.
  • Es zeigen:
  • 1. Die schematische Darstellung einer Kolben-Verbrennungskraftmaschine 1, verbunden mit einer linearen elektrischen Maschine 2.
  • 2. Eine schematische Darstellung der Kraft der linearen elektrischen Maschine zur Führung des Kolbens.
  • 3. Das Schema einer Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine 10, verbunden mit zwei linearen elektrischen Maschinen 1.
  • 4. Das Schema einer Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine 10 mit Schlitzventilen 11 und 12.
  • 5. Das Schema einer Doppelkolben Verbrennungskraftmaschine 10 mit Schlitzventilen 11 und 12 zur Querspülung.
  • 6. Das Schema einer Kolben-Verbrennungskraftmaschine 1, verbunden mit einer linearen elektrischen Maschine 2 und einer kleinen Gasfeder 13
  • 1 zeigt das Schema einer Anordnung nach Anspruch 1. Es weist bei der Verbrennungskraftmaschine 1 mit Kolben 5 ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9 und einen Kolbenboden 4 auf. Nicht dargestellt sind im Schema das Saugrohr vor dem Einlassventil, die Einrichtungen zur Bildung des Verbrennungsgemisches aus flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen nach dem Stand der Technik und gegebenenfalls dessen Zündung, sowie das Auslassrohr nach dem Auslassventil 9. Der Kolben 5 ist fest mit dem Läufer 6 der linearen elektrischen Maschine 2 mit dem Ständer 7 verbunden. Die Steuerung 3, bestehend aus Hard- und Software, steuert die Ventile, Gemischaufbereitung und gegebenenfalls die Zündung. Sie versorgt die elektrische Maschine 2 so, dass sie ihre Aufgaben zur Führung des Kolbens 5 wahrnehmen kann. Einzelheiten der Steuerung 3 wie Leistungselektronik, digitale Steuerung, Energiespeicher und Sensoren, insbesondere für die Position des Läufers, sind nicht dargestellt.
  • In 2. ist schematisch die Kraft der linearen elektrischen Maschine zur Führung des Kolbens aufgetragen. Sie hängt ab von der Versetzung der magnetischen Felder von Ständer und Läufer. Im Falle eines Läufers 2 mit Permanentmagneten wird sie durch die impulsförmige Bestromung der 3-Phasenwicklung des Ständers 7 längs der Bewegungsrichtung des Läufers 7 durch die Steuerung 3 positioniert. Damit kann innerhalb eines Teils der Periode der Magnetpole der Maschine 2 ein stabiler Antrieb oder eine Bremsung erzielt werden, wobei die Maschine 2 als Motor Leistung aufnimmt oder als Generator Energie über die Leistungselektronik an Energiespeicher abgibt. Die elektrische Maschine 2 wird so bemessen und durch die Steuerung 3 betrieben, dass die Kraft zur Führung des Kolbens unter Berücksichtigung der Dynamik durch die Masse von Kolben 5 und Läufer 6 innerhalb des stabilen Bereichs bleibt.
  • In 3. Ist das Schema einer Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt, die mit zwei linearen elektrischen Maschinen 1 verbunden ist. Im Zentrum 4 der Doppelkolbenmaschine, das dem Zylinderkopf einer einfachen Maschine entspricht, befinden sich ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9, jeweils ohne die entsprechenden Rohre, und, nicht dargestellt, die zur Aufbereitung und gegebenenfalls zur Zündung des Gemischs erforderlichen Teile.
  • 4. Zeigt das Schema einer Doppelkolben-Verbrennungskraftmaschine 10 mit Schlitzventilen für den Einlass 11 und für den Auslass 12. Im Zentrum 4 dieser Ausführung befinden sich, wiederum nicht dargestellt, die zur Aufbereitung und gegebenenfalls zur Zündung des Gemischs erforderlichen Teile. Die Zeitpunkte der Öffnung der Auslassschlitze und deren Schließung werden zum einen durch die Lage der Schlitze, zum anderen durch die Führung der zugehörigen Kolben durch die mit ihnen verbundene elektrische Maschine bewirkt. Damit kann die in diesem Fall vorliegende Spülung längs des Verbrennungsraums der Doppelkolbenmaschine optimiert werden.
  • 5. Zeigt eine Anordnung ähnlich 4. mit Querspülung.
  • 6. zeigt das um eine kleine Gasfeder 13 erweiterte Prinzip der 1.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 1544010 [0002]
    • US 3105153 [0003]
    • DE 102011000620 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • http://elib.dlr.de/82499/2/e-Monday_25.03.2013_Pitch_von_Herrn_Florian_Kock.pdf [0002]

Claims (10)

  1. Mindestens eine lineare Kolben-Verbrennungskraftmaschine verbunden mit mindestens einer linearen elektrischen Maschine und mindestens einer digitalen Steuerung aus Hard- und Software dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine als Motor oder Generator in allen Takten des Verbrennungszyklus zeitgenau gesteuert eine zur Führung des Kolbens der mindestens einen Verbrennungskraftmaschine ausreichende Kraft auf den mindestens einen Kolben ausüben kann.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Möglichkeiten der gesteuerten Position und Bewegung des mindestens einen Kolbens für einen vorgegebenen optimalen Verbrennungszyklus nach den 4- oder 2-Takt-Prinzipien eingesetzt werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungszyklus nach einem 3-Takt-Prinzip mit einem Verdichtungstakt, einem Arbeitstakt und einem Takt mit einer Bewegungs-Pause mit ruhendem oder nur gering bewegtem Kolben für die Entfernung der Verbrennungsgase, Spülung und Füllung des Hubraumes abläuft.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hardware der digitalen Steuerung mindestens eine Leistungselektronik, je mindestens einen Computer, Sensoren und Aktuatoren für den Verbrennungsmotor und Sensoren für die elektrische Maschine umfasst und deren Reaktionszeit einschließlich der software-gesteuerten Funktionen des Computers und der Wicklungen der Maschine so kurz ist, dass die zu jedem Zeitpunkt nötige Kraft für die gewünschte Bewegung des Kolbens zeitgenau eingestellt werden kann.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Software für die Computerfunktionen über eine Kommunikationsschnittstelle aus einem Kommunikationsnetz oder dem Internet heruntergeladen werden und vom Computer gesammelte Daten hochgeladen werden.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Verbrennungskraftmaschine als gegenläufige Doppelkolbenmaschine mit mindestens einer elektrischen Linearmaschine je Kolben ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkolbenmaschine mit mindestens zwei Schlitzventilen im Bereich der unteren Totpunkte zum Abführen des Auspuffs und Zuführen von Frischluft ausgestattet ist, wobei die Öffnungsdauer der Ventile je Totpunkt durch die geführte Bewegung je Kolben eingestellt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine lineare elektrische Maschine als tubulare Maschine und einschließlich der Leistungselektronik und des elektrischen Energiespeichersystems für höchsten Wirkungsgrad ausgebildet und betrieben wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasfeder, fest mit Kolben und elektrischer Maschine verbunden, so bemessen, dass sie ungefähr die halbe Volumenenergie der Verbrennungskraftmaschine speichern kann, die Kolbenbewegung im Verbrennungszyklus dadurch unterstützt, dass sie die Anforderungen an die maximale Kraft und die Leistung der elektrischen Maschine reduziert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassschlitze durch den zugehörigen Kolben früher geschlossen werden als die Einlassschlitze durch ihren zugehörigen Kolben und der Hubraum durch einen vor den Einlassschlitzen befindlichen Kompressor aufgeladen wird.
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