DE202011107187U1

DE202011107187U1 - Kolben-Verbrennungsmotor sowie Hybrid-Motor mit einem Zusatztakt

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Publication number: DE202011107187U1
Application number: DE201120107187
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-02-22
Anticipated expiration: 2021-10-28
Also published as: DE102011056529A1

Abstract

Kolbenmaschine, mit zumindest einem über Kurbelwelle (9) angetriebenen Kolben der in einem Zylinder (12) geführt ist, dessen Kolben aus mehreren Segmenten (1) und (2) &ldquor;vorzugsweise aus zwei Hälften besteht, bei dem mindestens ein Kolbensegment (1) vom Hub unabhängig bewegbar ist und einen in seiner Breite steuerbares Spaltvolumen (Vs) zwischen dem mit der Kurbelwelle fest verbundenen sowie den frei beweglichen Kolbenteilen (2) erzeugen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem über Kurbelwelle angetriebenen Kolben, der in einem Zylinderraum geführt sowie mit einem Kraftstoff-Luftgemisch befüllt wird, wobei der Kolben aus mehreren voneinander frei beweglichen Teilen besteht zwischen welchen sich Kraftquellen befinden.
Alle Verbrennungsmotoren bekannter Bauart haben gemeinsam, dass für die Verdampfung und Verbrennung des Brennstoffs konstruktions- und verhaltensbedingt extrem kurze Zeitraumräume zur Verfügung stehen.
Ferner von Nachteil ist ebenfalls, dass die Verbrennung nicht in einem volumenkonstanten Raum als isochore- sondern in einem Hubvolumen als isentrope Verbrennung abläuft. Der Zündzeitpunkt variiert dabei stark, und liegt bei ca. –15° vor bis über 30° nach dem oberen Totpunkt. Hieraus resultieren technisch Nachteile wie unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs, schädliche Abgasrückstände, giftige Abgase sowie reduzierte Motor-Wirkungsgrade.
Bei Kraftstoffen, welche längere Verbrennungszeiten beanspruchen, wie z. B. der Diesel oder die Biokraftstoffe begrenzen die zuvor genannten Nachteile die Drehzahl, da mit steigender Motordrehzahl die für die Verbrennung verfügbare Zeit immer kürzer wird, wodurch die Qualität der Verbrennung mit steigender Drehzahl tendenziell abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor zu entwickeln, dessen Verbrennungsraum dynamisch steuerbar ist, die Verbrennung in einem volumenkonstanten Raum ablaufen kann, dessen Wirkungsgrad höher liegt als beim aktuellen Otto- oder Diesel Prinzip, dessen Verbrennungszeiten verlängert werden, sowie der Motor neben der thermischen Verbrennungsenergie mit einer zusätzlichen Energie, vorzugsweise mit Hilfe der elektromagnetischen Energie angetrieben werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Arbeitskolben aus mindestens 2 Teilen, vorzugsweise aus 2 Hälften besteht, welche kraftschlüssig miteinander verbunden sind, jedoch um den starken Beschleunigungskräften wegen, auch deren Verbindung auch formschlüssig gesichert werden kann.
Zwischen diesen Teilen befindet sich mindestens eine Kraftquelle, welche:

– Hydraulischen, pneumatischen, mechanischen oder elektromagnetischen Ursprungs ist.
– Mindestens einen Spalt steuerbarer Breite zwischen beiden Kolbenhälften erzeugen kann.
– Direkt oder indirekt zwischen beiden Kolbenhälften eingebaut ist
– In ihrer Kraftrichtung der aus der Verbrennung resultierenden Kolbenkraft vektoriell entgegengesetzt wirkt.

Beide Kolbenteile zusammenhalten oder auseinander drücken kann.
Sobald in der Verbrennungskammer komprimierter Brennstoff-Luftgemisch zündet, und somit den Arbeitstakt einleitet, steigt der Druck in der Verbrennungskammer.
Dabei kann der steigende Druck zweckmäßig als Istwert mit Hilfe eines Drucksensors gemessen, in einer elektronischen Steuerung ausgewertet, sowie mit einem Sollwert verglichen werden.
Zweckmäßigerweise sollen ab einem bestimmten Grenzdruck mit Hilfe der eingangs beschriebenen Kraftquelle beide Kolbenteile gesteuert auseinander gedrückt und somit soll rasch ein Spalt zwischen beiden Kolbenteilen erzeugt werden.
Hierbei wandert die eine Kolbenhälfte, in Richtung unterer Totpunkt, welche mit der Kurbelwelle starr verbunden ist. Im gleichen Augenblick wird die andere Kolbenhälfte, welche Kontakt zur Verbrennungskammer besitzt, durch die rasche Vergrößerung des Spalts in ihrer absoluten Geschwindigkeit abgebremst, oder bleibt sogar für einen Bruchteil einer Sekunde stehen. Somit wird erreicht, dass der Verbrennungsdruck sowie die Größe des Raums in welchem die Verbrennung stattfindet, mit Hilfe der Kraftquelle und der frei beweglichen Kolbenhälfte steuerbar sind.
Weiter kann die Verbrennung in einem nahezu volumenkonstanten Raum erfolgen, und kann deshalb als volumenkonstant genannt werden. Die Spaltbreite zwischen den Kolbenteilen kann dabei zwischen 0 Millimetern und maximal die Länge des gesamten Kolben-Hubes erreichen.
Weiterer Vorteil liegt darin, dass durch die zuvor beschriebene rasche Spaltbildung für die Kraftstoffverbrennung mehr Zeit zur Verfügung steht, da die Geschwindigkeit der frei beweglichen Kolbenhälfte herabgesenkt wird. Weiter kann der Zündzeitpunkt in einem für die Verbrennung optimalen Bereich gestellt werden.
Sobald der Arbeitstakt abgeschlossen ist, nehmen beide Kolbenhälften ihre Ausgangsposition ein. Bei allen anderen Takten außer dem Arbeitstakt, bleiben die Kolbenteile in der Ausgangs- oder Grundposition stehen.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verbrennungsmotor wird die vorstehend genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kolben:

– Aus mindestens zwei Segmenten besteht, vorzugsweise aus 2 Hälften
– Beide Hälften kraftschlüssig miteinander verbunden sind, eine zusätzliche formschlüssige Sicherung der kraftschlüssigen Verbindung ist möglich.
– Beide Hälften direkt oder indirekt miteinander verbunden sind.

Eine Kolbenhälfte ist starr mit der Kurbelwelle verbunden ist, die andere Kolbenhälfte ist grundsätzlich vom Kolbenhub unabhängig beweglich.
Zwischen beiden zuvor beschriebenen Kolbenhälften befindet sich eine Kraftquelle, mit Eigenschaften welche zuvor beschrieben wurden.
Eine abgewandte Form dieses Motors stellt die 2 dar. Der an der Verbrennung teilhabender Kolbenteil (1) drückt nicht direkt auf die Kurbelwelle (9), sondern sich zwischen der Kurbelwelle und dem Kolben eine Hebelübersetzung (10) befindet. Die Kraftquelle ist bei dieser Anordnung vorteilhafterweise direkt mit der Kurbelwelle, und nur indirekt über die genante Hebelübersetzung mit dem an der Verbrennung teilhabenden Kolbenteil verbunden.
Vorteil dieser Anordnung sind geringere Temperaturen am Permanentmagneten (2), sowie die Möglichkeit den Kolbenhub durch eine mechanische Sperre zu begrenzen.
Eine Vorteilhafte Motorvariante wird in der 1 dargestellt. Die mit der Kurbelwelle verbundene Kolbenhälfte beinhaltet mindestens einen Elektromagneten mit Eisenkern. Die Drahtwicklung des Elektromagneten ist über eine H-Brücke (5) mit einer Stromquelle (6) verbunden. Die frei bewegliche Kolbenhälfte, welche an den Brennraum angrenzt, beinhaltet mindestens einen starken Permanentmagneten.
Über die H-Brücke können die Pole des Elektromagneten beliebig gewechselt werden. Somit können grundsätzlich 3 Zustände herbeigeführt werden:

1. Elektromagnet erzeugt einen Gegenpol zum Permanentmagneten, Ergebnis: Starke Anziehung
2. Elektromagnet erzeugt einen Gleichpol zum Permanentmagneten, Ergebnis: Starke Abstoßung
3. Elektromagnet ist stromlos, Ergebnis: Der Permanentmagnet zieht den Eisenkern des Elektromagneten an.

Ein Drucksensor (3) besitzt Kontakt zur Verbrennungskammer, und kann elektrische Signale an eine elektronische Steuerung weiterleiten.
Die elektrische Regelung verarbeitet diese Drucksignale und trifft Entscheidungen welcher der zuvor genannten 3 Betriebszustände zum Einsatz kommen soll indem der Elektromagnet gezielt mit Strom beflutet wird. Ziel ist eine möglichst effiziente Verbrennung zu erreichen sowie
Die Stärke der Magnetfelder des Elektromagneten können dadurch beeinflusst werden, dass die Bestromung des Elektromagneten mit Hilfe eines PWM Signals geschieht.
Weitere vorteilhafte Motorvariante wird in der 3 dargestellt.
Hier befindet sich zwischen beiden Kolbensegmenten eine vorgespannte Feder (14).
Die stärke der Vorspannkraft muss so gewählt werden, dass der Motor die Kompression schafft, ohne, dass die Feder nachgibt.
Sobald der Arbeitstakt startet steigt der Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer stark an, und kann bei modernen Motoren bis 150 bar betragen. Die Feder wird durch den hohen Druck zurückgedrückt und speichert so einen Teil der Verbrennungsenergie. Sobald der Druck fällt, entspannt sich die Feder wieder und gibt so die zuvor gespeicherte Energie wieder an die Kurbelwelle ab.
Zweckmäßigerweise gibt die Feder die gespeicherte Energie im Bereich der größeren Hebelauslenkung an die Kurbelwelle weiter. Auf dieser Weise kann der Drehmomentverlauf des Arbeitstaktes optimiert werden. In einem PV Diagramm kann diese Energie als eine zusätzliche Fläche dargestellt werden (16).
Bezugszeichenliste

1: Kolbensegment 1
2: Kolbensegment 2
3: Drucksensor
4: Steuereinheit
5: H-Brücke
6: Spannungsquelle
7: Kolben im unteren Totpunkt
8: Pleuel
9: Kurbelwelle
10: Umlenkung
11: Kolbensegment 3
12: Zylinder
13: Führung Kolbensegment
14: Vorgespannte Feder
15: Fläche p-v Diagramm Otto Kreislauf
16: Zusatzenergie abgegeben durch die Feder.
Vs: Spaltvolumen

Claims

Kolbenmaschine, mit zumindest einem über Kurbelwelle (9) angetriebenen Kolben der in einem Zylinder (12) geführt ist, dessen Kolben aus mehreren Segmenten (1) und (2) „vorzugsweise aus zwei Hälften besteht, bei dem mindestens ein Kolbensegment (1) vom Hub unabhängig bewegbar ist und einen in seiner Breite steuerbares Spaltvolumen (Vs) zwischen dem mit der Kurbelwelle fest verbundenen sowie den frei beweglichen Kolbenteilen (2) erzeugen kann.
Kolbenmaschine, nach Anspruch 1 wird dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbrennungsraum und der Kolben eine Umlenkung (10) eingebaut werden kann.
Kolbenmaschine, nach Anspruch 1 und 2 wird dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den voneinander unabhängig beweglichen Kolbenteilen Kraftquellen in Form von vorzugsweise Elektromagneten und Permanentmagneten, elektrischen Linearmotors, Hydraulik- oder Pneumatik-Zylinders oder Federn (14) besteht welche die Breite des Spaltvolumens (Vs) kontrollieren können.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3 wird dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den Kolbensegmenten mindestens eine mechanische Feder (14) befinden kann.
Kolbenmaschine nach Anspruch 4 wird dadurch gekennzeichnet, dass die Feder im ruhenden Zustand zwischen den Kolbensegmenten vorgespannt ist, und zwar so stark, dass der Kolben den Kompressionsdruck aufbringen kann, ohne dass die Feder nachgibt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 4 und 5 wird dadurch gekennzeichnet, dass sobald die Verbrennung einsetzt und der Druck im Verbrennungsraum steigt, die Feder zurückgedrückt wird und so einen Teil der Verbrennungsenergie speichert.
Kolbenmaschine nach Anspruch 4 und 6 wird dadurch gekennzeichnet, dass sobald Verbrennungsdruck mit dem Kolbenweg Richtung unterer Totpunkt unter die Federkraft fällt, die Feder sich entspannt und die zuvor gespeicherte Energie an die Kurbelwelle abgibt. Fläche (16) im p-v Diagramm.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5 wird dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des erzeugten Spaltvolumens zwischen wenigen Millimetern bis zur maximalen Hublänge betragen kann.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3 wird dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) ihre Befehle an die H-Brücke (5) mit Hilfe der Puls Weiten Modulation (PWM) weitergibt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3 wird dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (6) von der Kolbenmaschine selbst, oder außen erzeugt werden kann.