DE3913806A1 - Hybridmotor - Google Patents
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- DE3913806A1 DE3913806A1 DE3913806A DE3913806A DE3913806A1 DE 3913806 A1 DE3913806 A1 DE 3913806A1 DE 3913806 A DE3913806 A DE 3913806A DE 3913806 A DE3913806 A DE 3913806A DE 3913806 A1 DE3913806 A1 DE 3913806A1
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- piston
- connecting rod
- motor
- engine
- cylinder
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
- B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
- B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
- B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
- B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
- B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
- B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
- B60K6/24—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the combustion engines
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- B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
- B60K6/26—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the motors or the generators
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
- B60K6/48—Parallel type
- B60K6/485—Motor-assist type
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
- B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
- B60L50/16—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines with provision for separate direct mechanical propulsion
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
- B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
- B60W10/00—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function
- B60W10/04—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units
- B60W10/08—Conjoint control of vehicle sub-units of different type or different function including control of propulsion units including control of electric propulsion units, e.g. motors or generators
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D43/00—Conjoint electrical control of two or more functions, e.g. ignition, fuel-air mixture, recirculation, supercharging or exhaust-gas treatment
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
- H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
- H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
- H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
- H02K7/1884—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts structurally associated with free piston engines
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L2210/00—Converter types
- B60L2210/30—AC to DC converters
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B60L2210/00—Converter types
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- B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
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- B60L2240/40—Drive Train control parameters
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hybridmotor gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Sie bezweckt neue und nützliche Ver
besserungen bei Verbrennungsmotoren und schafft die Grundlage
einer systematischen Vorgehensweise zum Optimieren der Zuver
lässigkeit, Leistungsfähigkeit, Umweltverträglichkeit, Anpas
sungsfähigkeit, Herstellungs- und Betriebskosten des Motors.
Anders ausgedrückt, die Erfindung schafft die Grundlage für
Konstruktionsänderungen, die erforderlich sind, um die Be
triebscharakteristika und die Herstellungsbedingungen von
Motoren unter Verwendung der zur Zeit verfügbaren Technolo
gien und Materialien zu optimieren, und gestattet weitere
Verbesserungen, wenn modernere Materialien und Technologien
verfügbar werden.
Die Optimierung der Leistungsfähigkeit und die Verringerung
der Umweltverschmutzung, die mit der Verbrennung und den
thermodynamischen Prozessen, die im Brennkammerteil des Zylin
ders auftreten, verbunden sind, erfordern die Kontrolle und
Steuerung der Kolbenbewegung, der Ventilbewegung, der Kraft
stoffeinspritzung, der Zündung und dergleichen in einem Maß,
das von mechanischen Systemen auf eine praktische Art und
Weise nicht erreicht wurde.
Viele Erfinder haben die Probleme erkannt und Teillösungen und
Lösungen stückchenweise angeboten. Eine besonders interessante
Lösung wird von G.F. Chatfield in der US-PS 44 59 945 vorge
schlagen, in der eine gute Diskussion der Grenzen der Anord
nung aus Pleuel, Kurbelwelle und Nockenwelle dargeboten wird
(siehe auch die darin genannten Entgegenhaltungen).
Die Grenzen der Leistungsfähigkeit infolge der "Winkel- und
Momentenarmänderungen, welche die herkömmliche Pleuelstange
in Relation zu der Leistungsausgangswelle und dem Kraftkolben
durchmacht" wurden von R.L. Giulianna et al in der US-PS
44 98 430 (und den darin genannten Entgegenhaltungen) disku
tiert.
Beide obengenannten Patente versprechen auch einen verbesser
ten Umweltschutz durch einen längeren Kolbenhub. Es ist all
gemein bekannt, daß durch einen längeren Hub der restliche
Kraftstoff bei einer niedrigeren Temperatur in der Nähe des
Hubendes verbrennen kann.
Versuche zum Verbessern des Wirkungsgrades durch "Einstellung
des Kompressionsverhältnisses" (automatisch oder auf andere
Art und Weise) wurden von J.W. Akkerman in der CA-PS 11 80 963
und in den darin genannten Entgegenhaltungen beschrieben. Jene
Erfindung erfordert auch einen komplizierten mechanischen
Mechanismus, der das Problem behandelt, einen optimalen Druck
in der Zündkammer im Zündzeitpunkt zu schaffen.
Die Probleme des Wirkungsgrades und des Umweltschutzes wur
den von zahlreichen anderen Erfindern angesprochen. S. Konther
et al beschreiben in der US-PS 44 08 578 einen komplizierten
Mechanismus zum Umwandeln einer geradlinigen Bewegung in eine
Drehbewegung. A.J. Crocker stellt in der US-PS 43 81 740 mehr
Zeit für den Leistungsabgabeteil des Motorkreislaufes als
für den Abgasausströmungsteil des Motorkreislaufes durch die
Verwendung von komplizierten Verbindungen zur Verfügung.
Alle früheren Erfindungen haben die Probleme der Motorenkon
struktion stückweise angegangen und haben keine ausreichende
Kontrolle und Steuerung geschaffen, um optimale Betriebsbe
dingungen zu erreichen. Außerdem verschlimmert im allgemeinen
das teilweise Lösen eines Problems andere Probleme, so wird
z.B. ein komplizierter mechanischer Mechanismus eingeführt,
und seine Verwendung vermindert die Zuverlässigkeit des
Motors und erhöht seine Herstellungskosten, oder Umweltschutz
wird unter Verwendung eines Katalysators erzielt, der die
Leistungsfähigkeit des Motors verringert, wodurch eine größe
re Kohlendioxidabgasmenge für eine gegebene Energieabgabe
erzeugt wird.
Es wurde auch allgemein erkannt, daß für automobile Zwecke
elektrisch angetriebene Autos einen hohen Energieumwandlungs
wirkungsgrad und einen geringen Umweltverschmutzungsgrad, vor
ausgesetzt daß die ursprüngliche elektrische Leistung nicht
durch die Verbrennung von fossilen Kraftstoffen erzeugt wird,
haben. (Elektromobile, William Hamilton, McGraw-Hill Book Co.,
New York (1980) und Elektrofahrzeugtechnologie, J.E. Unnewehr
und S.A. Nasar, John Wiley and Sons, New York (1982)). Die
allgemein bekannten Schwierigkeiten, die mit einer ausreichen
den Energieversorgung (Batterien und Brennstoffzellen) für
Kraftfahrzeuge verbunden sind, haben die Verwendung von Elektro
fahrzeugen erheblich eingeschränkt und Erfindungen stimuliert,
die wir als quasi-hybride Kraftwerke bezeichnen, bei denen
herkömmliche Motoren einen elektrischen Generator antreiben,
der seine Leistung an einen Elektromotor abgibt, eine Batterie
auflädt oder beides macht.
Bei diesen Erfindungen wurden ein etwas verbesserter Wirkungs
grad und etwas Umweltschutz durch Betreiben des Verbrennungs
motors unter Einhaltung strikter Drehzahlgrenzen und derglei
chen erzielt, und der zusätzliche Leistungsbedarf wird durch
die elektrische Speicherbatterie bereitgestellt. Leider ist
der Wattstunden-Wirkungsgrad der meisten Batterietypen rela
tiv niedrig (im Bereich von 70 bis 85%). Beispielsweise be
trägt der Wattstunden-Wirkungsgrad von Blei-Säure-Batterien
bei voller Ladung bis zur Entladung nur ungefähr 75 bis 80%,
wobei diese Werte unter periodischen Arbeitsbedingungen etwas
höher sein können (Mark′s Standard Handbook for Mechanical
Engineers, 8. Ausgabe, Mc-Graw-Hill Book Co.). Diese Wirkungs
gradbeschränkung sowie das zusätzliche Gewicht, die Kosten,
die Unbequemlichkeit und die Komplikationen, die mit der Ver
wendung von im wesentlichen zwei getrennten, aber miteinander
gekoppelten Kraftwerken verbunden sind, haben die Verwendung
dieser quasi-hybriden Systeme für automobile Zwecke einge
schränkt. (Elektro- und Hybridfahrzeuge (Energy Technology
Review Nr. 44, herausgegeben von M.J. Collie, Noyes Data
Corporation, Park Ridge, New Jersey 07656 (1979)).
Beträchtliche Anstrengungen wurden auch bei der Entwicklung
von Stirling-Motoren gemacht, bei denen sich geradlinig be
wegende Kolben die Kraft direkt in eine lineare Elektromotor-/
-generatoreinheit übertragen (E.H. Cook-Yarborough et al Proc.
I.E.E., Band 121, Nr. 7, Juli 1974, S. 749; George R. Dochat,
SAE Technical Paper, Nr. 8 10 457, International Congress and
Exposition, Detroit, Michigan, Febr. 1981; Machine Design,
11. Sept. 1986, S. 48).
Diese Konstruktionen demonstrieren die technische Anwendbar
keit von Linearmotoren/-generatoren für die Umwandlung von
thermischer in elektrische Energie. Sie sind jedoch darauf be
schränkt, bei einer konstanten Resonanzfrequenz in einer kon
stanten Leistungsabgabe zu arbeiten. Außerdem ist der Energie
wirkungsgrad von Stirling-Motoren von Natur aus niedriger als
der von Motoren mit innerer Verbrennung, bei denen die effektiv
höhere Verbrennungstemperatur einen höheren Carnot-Wirkungs
grad ergibt. Der Jarret-Vorschlag, der den zuletzt genannten
Nachteil überwindet, leidet aber immer noch unter dem zuvor
genannten Nachteil (Jan. P. Norbye, Autocar, 22. März 1980,
S. 47).
Den obengenannten und ähnlichen Vorschlägen wie dem Stelzer-
Motor (Science and Mechanics, Nov.-Dez. 1983) mangelt es allen
an einem fundamentalen Bestandteil, der notwendig ist, die
Anpassungsfähigkeit zu schaffen, die für verschiedene prakti
sche Anwendungen erforderlich ist, und eine Optimierung der
gewünschten Charakteristika zu gestatten. Dieser Bestandteil
ist eine präzise Kontrolle und Steuerung der Betriebsparameter
des Motors.
Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, einen thermo
elektro-mechanischen Motor (oder der umgekehrt arbeitet oder
eine Pumpe oder Kompressor ist, wie sie bei Lufkühl- und
Kühlanlagen verwendet werden) zu schaffen, der die Grundlage
für zahlreiche Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit, im
Umweltschutz, in der Zuverlässigkeit, in der Anpassungsfähig
keit, in der Kosteneffektivität, im Betrieb usw. bildet. Ein
zweites Ziel der Erfindung besteht darin, einen thermo-elektro
mechanischen Motor zu schaffen, der für eine umfassende Com
putersteuerung leicht zugänglich ist. Ferner soll ein thermo
elektro-mechanischer Motor geschaffen werden, der mechanisch
äußerst einfach ist, wobei im wesentlichen nur ein bewegliches
Teil pro Zylinder vorgesehen ist, der zu der Kraftübertragung
gehört (nebem dem elektrischen Antriebsmotor (-motoren) für
die mobile Verwendung), so daß auf optimale Art und Weise für
eine verbesserte mechanische Zuverlässigkeit, verminderte
Reibungsverluste, einen verminderten Kühlungsbedarf, verrin
gerte Produktions- und Betriebskosten, einen modularen Einbau
und vor allem für die Anpaßbarkeit an eine umfassende Computer
steuerung gesorgt ist (die nur leicht erzielt werden kann,
wenn das mechanische System so einfach ist, daß Rütteln und
Spiel vernachlässigbar klein sind und daher nicht den Informa
tionsfluß von und zu dem Computer stören) und infolgedessen
das zweite Ziel der Erfindung erreicht wird. Darüber hinaus
soll ein thermo-elektro-mechanischer Motor geschaffen werden,
der eine ausreichend mechanische Einfachheit und Wiederholbar
keit des Betriebs aufweist, um die Forschung von in dem
Zylinder auftretenden thermodynamischen und chemischen Pro
zessen und in die Auswirkungen der Brennkammerkonstruktion
und des Brennkammerbetriebs, die Auswirkungen von verschiede
nen Kraftstoffen und die Auswirkungen von verschiedenen Zünd-
und Ventilsystemen auf diese Prozesse zu unterstützen und zu
beschleunigen und um gegenwärtig verfügbare Materialien und
Technologien auf optimale Art und Weise nutzbar zu machen
und um der Entwicklung von neuen Technologien und fortschritt
lichen Materialien neuen Aufschwung zu verleihen, um das
Hauptziel der Erfindung soweit als möglich zu erzielen. Außer
dem soll ein thermo-elektro-mechanischer Motor geschaffen
werden, der 1. als Ottomotor (oder "Benzinmotor"), 2. als
Dieselmotor, 3. als Stirlingmotor, 4. als Rankinemotor, 5. als
irgendein anderer Motor (der einige oder alle der Merkmale
von einem oder mehreren der obengenannten Motoren beinhalten
oder nicht beinhalten kann) arbeiten kann und der in allen
verschiedenen möglichen Konfigurationen der obengenannten
Motoren wie z.B. als Vierzylinder- oder Sechszylinderkonfigura
tion und der in den verschiedenen Betriebsweisen dieser Moto
ren wie Zweitakt- oder Viertaktbetrieb usw. und als luftge
kühlter, wassergekühlter Motor arbeiten kann. Schließlich soll
ein thermo-elektromechanischer Motor geschaffen werden, der
als stationärer Motor verwendet werden kann (d.h. hauptsächlich
für die Erzeugung von elektrischer Energie oder zum Antreiben
einer Hydraulikpumpe oder dergleichen, oder der in mobilen
Einrichtungen, d.h. zum Antrieb von Automobilen, Schiffen,
Flugzeugen und dergleichen verwendet werden kann).
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen
Hybridmotor durch Anwendung der kennzeichnenden Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Kurz ausgedrückt, betrifft die Erfindung einen echten Hybrid
motor, bei dem die Energiezufuhrvorteile von Kraftstoff ver
brennenden Motoren mit den Vorteilen von elektrisch angetrie
benen Einheiten kombiniert sind, um ein einfaches Energie
erzeugungssystem unter einer vollständigen Computersteuerung
zu erzeugen, bei dem alle Teile des Systems praktisch sofort
(und im wesentlichen ohne Spiel und Rütteln) auf die Computer
anweisungen ansprechen kann und bei dem der Computer praktisch
sofort Informationen über den Betrieb aller wichtigen Teile
des Systems erhält.
Die Erfindung stellt eine ganzheitliche Lösung von vielen mit
Motoren auftretenden Problemen dar. Sie bringt Verbesserungen
im Wirkungsgrad und im Umweltschutz in Verbindung mit (und
nicht auf Kosten von) vermehrter Einfachheit, Zuverlässigkeit,
Anpaßbarkeit und niedrigeren Herstellungs- und Betriebskosten.
Wo ein Kompromiß in dem Maß von zwei oder mehreren wünschens
werten Qualitäten unvermeidbar ist, ermöglicht die Einfachheit
der Erfindung die Durchführung realistischer Kalkulationen
und die Konstruktion von Motoren, welche die gewünschten Quali
täten entsprechend einem gesamten Optimierungsprozeß ausglei
chen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Einzylinder
motors nach der Erfindung,
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Seitenansicht des
Jochmagnetteils eines abgewandelten Linearmotors/
-generators und
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, wobei aber ein
Motor mit sich gegenüberliegenden Zylindern darge
stellt ist.
In den Zeichnungen sind die gleichen oder ähnliche Bezugs
zeichen für sich entsprechende Teile in den verschiedenen
Figuren verwendet worden.
In seiner einfachsten Ausführung (Fig. 1) ist ein Kolben 10,
der Kolbenringe (nicht dargestellt) hat, in einem Zylinder 11
in Eingriff mit elektromagnetisch betriebenen und computer
gesteuerten Ventilen und einem schematisch dargestellten
Zünd- und Kraftstoffeinspritzsystem und fest mit einem
Dauermagnet 12 durch eine geeignet geformte Pleuelstange 13
verbunden, die durch Lager 14 und 15 abgestützt wird, um
eine schwingende geradlinige Bewegung auszuführen, während
der der Magnet 12 mit seinem N- und S-Pol, wie dargestellt,
in ein und aus einem Joch 16 bewegt wird, das aus einem geeig
neten magnetischen Material (wie z.B. Transformatorenstahl)
hergestellt ist und um das Drähte 17 aus einem geeigneten
leitenden Material (wie z.B. Kupfer, Aluminium, supraleiten
de Keramik) auf eine herkömmliche Art und Weise gewickelt
wurden. Mit dem Bezugszeichen 18 ist ein Stellungsanzeiger
(oder Stellungs-/Geschwindigkeits-/Beschleunigungsanzeiger)
gezeigt, der herkömmlich ist. Eine Tragstruktur S ist auch
schematisch gezeigt.
Der Motor, wie er oben beschrieben (und unter Verwendung von
Zeichnungen, die nur schematisch sind, dargestellt) ist,
wurde stark vereinfacht, um eine Erläuterung der Grundlagen
der Erfindung zu erleichtern und eine ordentliche Erklärung
dieser Grundlagen der Erfindung zu geben. In der Praxis ist
aber eine beträchtliche Menge an Konstruktionsarbeiten an
allen Aspekten des Motors zu leisten. Beispielsweise wird
bei einem tatsächlichen Motor der "Magnet-Joch"-Wandler 12,
16, 17 durch eine ordentlich konstruierte spezielle Linear
motor/-generator-Einheit ersetzt. Die oben gemachten Ausfüh
rungen gelten auch für die vielen vereinfachten Konstruktions
merkmale, die im folgenden noch beschrieben werden. Auch die
notwendigen Ventilsysteme zusammen mit den Verbrennungs-
(Kraftstoffeinspritzung) und Zündsystemen (nicht dargestellt)
sind für den Betrieb des Motors erforderlich. Um genau zu
sein, ist außerdem die Beschreibung auf einen Motor gestützt,
der für Automobile geeignet ist, obwohl er nicht auf diesen
Anwendungsfall beschränkt ist.
Die vereinfachte Magnet-Joch-Darstellung soll nicht den Typ
der Linearmotor/-generator-Einheit einschränken, die verwen
det werden kann.
Mit dem Ausdruck "spezieller Linearmotor/-generator" sind
Wandlereinheiten gemeint, die zusätzliche Leistungseingabe-/
-ausgabewicklungen haben können, z.B. um Energie für eine
Computersteuerung der Kolbenbewegung bereitzustellen, und die
Wicklungen für kurze Energiespeicherintervalle (von der
Größenordnung eines Kreislaufes) beinhalten können. Außerdem
sind Maßnahmen getroffen, um die Ausgabewicklungen in ver
schiedene Kombinationen von Reihen- und Parallelverbindungen
umzuschalten und den Antriebsmotoren und der Speicherbatterie
die Ausgangsleistungen in geeigneten Verhältnissen zuzuleiten.
Die Leistungsausgabe des Wandlers hängt von der Größe des
Dauermagnets und des Energieprodukts des Materials ab, aus
dem er gemacht ist (wobei sichergestellt wird, daß der Magnet
kreis des Joches für den Zweck geeignet ist). Unter Verwendung
von modernen magnetischen Materialien wie z.B. Magnequench
MQ III (Warenzeichen), das von Delco Remy hergestellt wird,
kann eine Leistungsausgabe von bis zu 10 kW pro Zylinder mit
einem Magnet von einer sehr vernünftigen Größe und Gewicht
erhalten werden.
Der Zylinder 11 muß für den verwendeten Kraftstoff und den
erforderlichen Motorentyp geeignet sein.
Die Lager 14 und 15 ermöglichen eine geradlinige Schwingbewe
gung des Kolben-Magnetsystems. Sie entlasten die Kolbenringe
fast ganz von ihrer "Lagerfunktion" und ermöglichen es, daß
der Kolben aus geeigneteren Materialien hergestellt werden
kann. Die Kolbenringe können nun hauptsächlich für die Dich
tungsfunktion verwendet werden. Unter diesen Bedingungen sind
die an die Kolbenringabnutzung und -schmierung gestellten Er
fordernisse verringert, wodurch höhere Zylinderdrücke und
-temperaturen zugelassen werden können, um einen höheren
thermodynamischen Wirkungsgrad und einen zuverlässigeren
Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erzielen.
Ein Stellungs-/Geschwindigkeits-/Beschleunigungsanzeiger 18
ist wirkmäßig mit der Kolbenstange 3 verbunden und liefert
dem Computer 19 praktisch sofort Informationen über die Stel
lung, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Kolbens 10 als
eine Funktion der Zeit und als eine Funktion seiner Stellung
bezüglich des Zylinders 11. In der Praxis kann ein genauer
Stellungsanzeiger ausreichend sein. Der Computer 19 sollte
einen genauen Taktgeber beinhalten und kann so programmiert
sein, daß er die Stellungsdaten zweimal differenziert, einmal
um die Geschwindigkeitswerte zu liefern und das zweite Mal
um die Beschleunigungswerte zu erzeugen. Der Anzeiger kann
eine elektro-optische Vorrichtung ähnlich einer solchen, wie
sie bei Schallplattenspielern verwendet werden, sein, oder er
kann eine elektronische Vorrichtung sein, wie z.B. ein Hohl
raumresonator oder ein kapazitiver Stellungsanzeiger.
Zusätzliche Daten (soweit sie erforderlich sind) von verschie
denen Teilen des Systems (Leistung, Drehmoment- und Geschwin
digkeitsbedarf, Ventilbewegung und dergleichen, wobei ver
schiedene Anzeiger (nicht dargestellt) je nach Bedarf verwen
det werden) werden auch in den Computer 19 eingegeben. Aus
diesen Informationen kann der Computer die erforderliche Hub
länge, die Frequenz der Hin- und Herbewegung, das Kompressions
verhältnis, den Zündzeitpunkt, den Kraftstoff- und Luftbedarf,
die Ventilbewegung und dergleichen berechnen, um den Motor
unter den gewünschten Bedingungen auf eine optimale Art und
Weise zu betreiben.
Die Überwachung und Steuerung der Kolbenstellung und -geschwin
digkeit relativ zu dem Zylinder und relativ zu dem Zündzeit
punkt ermöglicht eine bessere "Impedanzanpassung" bei der
Übertragung der in dem Zylinder erzeugten thermischen Energie
an den Kolbenmotor/-generator (wobei die scharfe Spitze in
den Druck/Volumendiagrammen, welche die thermodynamischen
Prozesse in dem Zylinder darstellen, verringert und verbrei
tert wird). Die Kraft zum Bewegen des Kolbens 10 durch die
optimalen Stellungen im Zylinder 11 als Funktion der Zeit
wird durch elektrische Energie, die in einigen der Motor/
-generatorwindungen (die für diesen Zweck bestimmt sind) ge
speichert ist, und/oder einen separaten elektrischen Energie
speicherinduktor (nicht dargestellt) sowie (zu einem großen
Teil) von der Energie, die durch die Verbrennung erzeugt wird,
bereitgestellt.
Um die erforderlichen Berechnungen und Funktionen, insbesonde
re diejenigen, welche die Bestimmung der Stellung und der
Geschwindigkeit des Kolbens 10 betreffen, auszuführen, ist ein
schneller Computer 19 mit einem relativ großen Speicher erfor
derlich. Nachdem aber die Merkmale eines Motors während der
Konstruktions- und Entwicklungsphase bestimmt wurden, können
Funktionsprotokolle entwickelt werden, um den Computer von
vielen seiner anfänglichen Aufgaben und Berechnungen zu ent
lasten. Wenn z.B. die charakteristischen Merkmale der Kolben
bewegung in dem Zylinder für einen bestimmten Motor und für
bestimmte Betriebsbedingungen einmal bestimmt sind, ist es
nicht notwendig, die genaue Stellung, Geschwindigkeit und Be
schleunigung an Tausenden von Punkten während eines Hubs zu
bestimmen. Vielmehr können die Informationen, die während
experimenteller Läufe erhalten wurden, dazu verwendet werden,
eine Gleichung (mathematisches Modell) zu entwickeln, welche
die Kolbenbewegung beschreibt, die zusammen mit viel weniger
Datenpunkten den Computer in die Lage versetzt, die Optimie
rungsvorgänge durchzuführen. Außerdem müssen die Optimierungs
vorgänge nicht nach einem Hub beendet sein, sondern können
durch aufeinanderfolgende immer besser werdende Annäherungen,
während der Motor über Hunderte von Hüben läuft, entwickelt
werden. Die Entwicklung solcher Modelle und Protokolle ermög
licht die Verwendung eines ziemlich kostengünstigen Bordcom
putersystems für Produktionsmodelle.
Bei einer ordentlichen Wandlerkonstruktion (spezieller Linear
motor/-generator) ist ein herkömmlicher Anlassermotor nicht
unbedingt erforderlich; vielmehr kann Strom von der Speicher
batterie durch die Wicklungen des Joches 16 geleitet werden,
um die Magnet-Kolbeneinheit in den Zylinder (Motorbetrieb) zu
stoßen, um das Kraftstoffluftgemisch für eine erste Zündung
zu komprimieren.
Um die ganze verfügbare Energie, die durch die Verbrennung er
zeugt wird, herauszuziehen, wobei ein Magnet von mittelmäßiger
Größe verwendet wird, kann ein Mehrpoljoch 16 A (Fig. 2),
(oder Mehrpolmagnet und Mehrpoljoch) verwendet werden. Bei
tatsächlichen Motoren wird das Mehrpoljoch einem Mehrpol
motor/-generator entsprechen.
Die richtige Wandlerkonstruktion ermöglicht eine ordentliche
Impedanzanpassung (als Funktion der Zeit) zwischen der Energie
quelle und der Belastung durch computergesteuertes Umschalten
der richtigen Anzahl von Wandlerwindungen (Parallel- und
Reihenschaltungen) in die geeigneten Verbindungen mit der
Belastung und der Batterie und möglicherweise zusätzlichen
elektrischen Energiespeichervorrichtungen (Induktionsspule
oder herkömmlicher Motor/Generator) als Funktion des Lastbe
darfs. Dieses System ermöglicht im wesentlichen ein stufenlos
veränderbares automatisches Getriebe. Die richtige Wandler
konstruktion wird es auch dem Computer 19 ermöglichen, den
Motor mit einer optimalen Geschwindigkeit bei maximalem Wir
kungsgrad und minimaler Umweltverschmutzung zu betreiben.
Bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen braucht die Geschwindig
keit nicht geändert werden, da ja der zusätzliche Leistungs
bedarf, der an den Elektromotor (Motoren) (nicht dargestellt)
gestellt wird (d.h. zum Beschleunigen oder für Bergfahrten),
durch die Batterie geliefert werden kann, während die erzeugte
überschüssige Energie (wenn für ein grünes Licht gewartet
wird oder bei einer Bergabfahrt) dazu verwendet werden kann,
die Batterie zu laden. Wenn nur wenig Überschußenergie (Über
schußspannung) verfügbar ist, kann der Computer 19 (der jede
Zelle der Batterie überwacht) diese Überschußenergie selektiv
einer bestimmten Zelle (oder Zellen) zuführen, die sie am
meisten braucht.
Die Zellen der Batterie (nicht dargestellt) können auch wäh
rend des Bremsens geladen werden. Wenn die Bremsen angelegt
werden, können die elektrischen Antriebsmotoren in den elek
trischen Generatorbetrieb umgeschaltet werden, um einiges
oder alles von dem Drehmomentbedarf für das Bremsen bereit
zustellen und gleichzeitig Elektrizität zu erzeugen, die in
der Batterie gespeichert werden kann.
In seiner elementaren Form (Fig. 1) würde der Einkolbenmotor
ein nicht akzeptables Maß an Schwingungen erzeugen. Wenn je
doch zwei solcher Systeme entlang einer gemeinsamen Achse an
geordnet werden, um einen Modul (z.B. mit den Zylinderköpfen
an entgegengesetzten Enden) zu bilden, und genau entgegen
gesetzt betrieben werden, wobei die Zündzeitpunktsteuerung
synchronisiert ist (so daß die Bewegung des einen Kolbens
genau das Spiegelbild des anderen ist), können Schwingungen
auf ein vernachlässigbar kleines Niveau vermindert werden.
In dieser Ausführung können die beiden Kolben ihre Eingabe
auch in einen gemeinsamen Motor/Generator machen, wenn er
für diesen Zweck ausgebildet ist.
Andere schwingungsfreie Anordnungen sind auch möglich. Zum
Beispiel können vier Einzelkolbeneinheiten (zwei Seite an
Seite und die beiden anderen symmetrisch über den beiden
ersten angeordnet) angeordnet werden, um einen schwingungs
freien Modul zu schaffen. In diesem Fall würden die beiden
zueinander entgegengesetzten Einheiten im Einklang und genau
um 180° außer Phase mit den beiden anderen Einheiten arbeiten.
Diese Anordnung führt zu einem Motor, der kürzer ist, als es
bei einer Anordnung Ende an Ende möglich ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) sind zwei
Kolben 10 A und 10 B an einem Motor/Generator (Wandler wie in
Fig. 2) durch Inline-Pleuelstangen 13 befestigt, um die
Anzahl der Wandler zu verringern und um eine längere (verbes
serte) mechanische Halterung für die Kolbeneinheiten zu er
halten. Diese Kolben greifen in entgegengesetzten Zylindern
11 A und 11 B, wie gezeigt, an. Zwei (oder vier) solcher Ein
heiten (die auf dieselbe Art und Weise wie oben beschrieben
angeordnet sind) sind für die Einzelkolbeneinheiten erforder
lich, um einen schwingungsfreien Modul zu bilden, und die
Module können in jeder beliebigen Anzahl entsprechend den im
Einsatz erwarteten Leistungserfordernissen aneinandergereiht
werden.
Die Computersteuerung der Motorparameter ermöglicht auch
einen leichten und angenehmen Mehrkraftstoffbetrieb. Diese
Erfindung ermöglicht die Verwendung von programmierten Com
puterprotokollen, die am Armaturenbrett ausgewählt werden
können, um die verschiedenen Kraftstoffe wie Gasohol, Propan,
Erdgas, Methanol usw. sowie Benzin berücksichtigen zu können. In
Gebieten, in denen Erdgas billig ist, könnte ein Niederdruck
tank von einem Haushaltsanschluß gefüllt werden (siehe schema
tische Eingangssignale 19 A und Ausgangssignale 19 B).
In ihrer einfachsten Form und als Viertaktottomotor kann die
Einheit (Fig. 1) wie folgt betrieben werden. Der Motor/Gene
rator oder Wandler 12, 16, 17 (im Motorbetrieb) nimmt Strom
von der Batterie auf, um den Kolben 10 in den Zylinder 11 zu
bewegen, wobei er die Verbrennungsprodukte ausstößt (der Aus
laßhub kann länger als der Kompressionshub sein, um die
maximale Menge an Verbrennungsprodukten auszustoßen und somit
den volumetrischen Wirkungsgrad zu erhöhen). Er bewegt dann
den Kolben in die entgegengesetzte Richtung (nicht unbedingt
durch seinen Maximalhub), wenn sich das Einlaßventil (nicht
dargestellt) öffnet, um den Zylinder 11 mit einer verbrennbaren
Mischung zu füllen. Der Motor/Generator bewegt dann den Kolben
10 zurück in den Zylinder 11, um die Mischung zu komprimieren,
die im richtigen Augenblick gezündet wird, und der Motor/Gene
rator und der Verbrennungsdruck können (falls erforderlich)
vorübergehend zusammenwirken, um den Kolben aus dem Zylinder
herauszubewegen, um ihm eine große Anfangsgeschwindigkeit zu
geben (und infolgedessen die Zeit zu verringern, während der
die höchsten Temperaturen und Drücke in dem Zylinder herrschen).
Wenn sich der Kolben auswärts bewegt, kehrt der Motor/Genera
tor ganz in den Generatorbetrieb zurück, wobei er Energie er
zeugt, die den Antriebsmotoren (nicht dargestellt) zugeführt
und/oder in der Batterie (nicht dargestellt) gespeichert wird.
Ein Teil dieser Energie kann auch in einem elektrischen Induk
tor (nicht dargestellt) und/oder in induktiven Windungen des
Motors/Generators oder in Form von kinetischer Energie in den
Antriebsmotoren gespeichert werden, die sie zurückführen kön
nen, wenn sie in den Generatorbetrieb umgestellt sind, oder
ein separater herkömmlicher Motor/Generator (nicht dargestellt)
kann für eine kurzzeitige Speicherung von Energie in Form von
kinetischer Energie verwendet werden. Am Ende des Kolbenkraft
hubes bewegt der Motor/Generator (im Motorbetrieb) den Kolben
10 nun in den Zylinder, um die Verbrennungsprodukte auszustoßen,
und bewegt ihn in die entgegengesetzte Richtung, um den Zylin
der 11 mit der brennbaren Mischung zu füllen, und komprimiert
dann diese Mischung für die Verbrennung wieder. Bei diesen
letzten drei Vorgängen kann der Motor/Generator Energie von
der Batterie aufnehmen. Es ist jedoch besser, sie von einem getrenn
ten Speichersystem für elektrische Energie zu nehmen, weil
diese Systeme so konstruiert werden können, daß sie nur wenig
Energie während eines Umlaufes verlieren. Induktive Energie
speichersysteme können einen Wirkungsgrad von 99% während
eines Umlaufes haben, während Batteriespeicherung und -entlee
rung 10% bis 20% der für diese drei Vorgänge erforderlichen
Energie vernichten können. Schließlich tritt die Verbrennung
auf, um einen weiteren Krafthub zu erzeugen. Es ist darauf
hinzuweisen, daß die kurzzeitige elektrische Energiespeiche
rung dieselbe Rolle wie ein Schwungrad bei dem mehr herkömmli
chen Motor spielt, daß sie aber nicht in der gleichen Weise
wie das mechanische Schwungrad beschränkt ist, das über kurze
Intervalle eine beinahe konstante Winkelgeschwindigkeit haben
muß und den Kolben einer mechanischen bestimmten Geschwindig
keit (als Funktion der Stellung in dem Zylinder) und einer
konstanten Hublänge für alle Teile des Umlaufes aussetzt.
Die maximale Geschwindigkeit eines herkömmlichen Motors ist
durch die Masse der Kolben-Pleueleinheit begrenzt. Bei der
vorliegenden Erfindung wird eine ähnliche Begrenzung durch
die Masse der Kolben-Pleuel-Magneteinheit auferlegt. Die ge
schätzte maximale Geschwindigkeit kann an einem einfachen
Modell (in bezug auf Fig. 3) erhalten werden, bei dem ange
nommen wird, daß die durch Verbrennung erzeugte Energie ganz
in die kinetische Energie der Kolben-Magnet-Einheit während
der ersten Hälfte des Hubes umgewandelt wird und daß während
der zweiten Hälfte diese kinetische Energie in elektrische
Energie umgewandelt wird. Unter Annahme eines Durchschnittsdruckes
[P] psia (absoluter Druck in Pfund je Quadratzoll) im
Zylinder 11 A von Fig. 3 mit einer Querschnittsfläche A in
sq. in. (Quadratzoll) beträgt die Durchschnittskraft
F = A [P] lb (Pfund). Wenn das Gewicht der beiden Kolben, der
Pleuelstange und des Magnets w ist, dann ergibt sich aus
Newtons zweitem Gesetz F = [a], und die Durchschnittsbeschleunigung
des Kolbens ist [a] = (A [P]) ft/s (Fuß pro
Sekunde). Bei dieser Beschleunigung tritt eine halbe Hublänge
s in der Zeit t auf, wobei s = 1/2 [a] t² ist
Wenn wir eine halbe Hublänge von 4 in. (Zoll), ein Gewicht w = 16
lb (Pfund), (wobei zwei Kolben zusammen mit einer Pleuelstange
5 lb (Pfund) wiegen und der Magnet 11 lb (Pfund) wiegt)
und A = 12,6 sq. in. (Quadratzoll) (für einen Kolbendurchmesser
von 4 in. (Zoll)) und [P] = 500 psia annehmen, erhalten wir
t=7,3×10-3 s. Der zweite Teil des Hubes, in dem Energie
auf den Motor/Generator übertragen wird und das Kraftstoff
luftgemisch im Zylinder 11 A komprimiert wird, beansprucht un
gefähr dieselbe Zeit. Die Gesamtzeit des ersten vollständigen
Hubes ist ungefähr 1,5×10-2 s.
Bei dem Zweitaktbetrieb wiederholt die Verbrennung im Zylinder
11 B den oben beschriebenen Vorgang, wobei die Kolben-Magnet
Einheit zurück in den Zylinder 11 A gebracht wird, um eine
Kraftstoffluftladung zu komprimieren. Jeder Zylinder kann
daher bis zu 66 mal pro Sekunde oder 4000 mal pro Minute
(das entspricht 4000 U/min für einen herkömmlichen Zweitakt
motor) zünden.
Für einen Viertaktbetrieb wiederholt die Verbrennung im Zylin
der 11 B den ersten vollständigen Hub mit der Ausnahme, daß,
wenn nun der Kolben 10 A sich in Richtung auf den Zylinder 11 A
bewegt, er Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder 11 A ausstößt.
Für den Rückwärtshub (um Verbrennungsprodukte aus dem Zylinder
11 B auszustoßen) muß Leistung der Batterie oder anderen elek
trischen Energiespeichereinheiten entnommen werden, um den
Motor/Generator im Motorbetrieb zu betreiben und den Kolben
10 B in den Zylinder 11 B zu bewegen. Um den Kolben 10 B in den
Zylinder 11 B so schnell wie möglich zu bringen, muß die Lei
stungsausgabe des Motorbetriebs gleich der in den Generator
im vorausgehenden Hub eingegebenen Leistung sein, und der
Motor sollte über die Hälfte des Hubs arbeiten (ungefähr
7,3×10-3 s), um der Kolben-Magnet-Einheit eine große Ge
schwindigkeit (große kinetische Energie) zu geben. Während
des zweiten Teiles des Hubes muß diese kinetische Energie
dadurch entnommen werden, daß der Linearmotor/-generator in
den Generatorbetrieb umgeschaltet wird. Ein zweiter derarti
ger Schritt ist erforderlich, um den Kolben 10 A in den Zylin
der 11 A zurückzubewegen, um eine Kraftstoffluftladung zu
komprimieren. Während dieser beiden Schritte arbeiten der
Motor/Generator und die Batterie (oder der elektrische
Speicherinduktor) in elektrischer Analogie zu dem mechani
schen Schwungrad eines herkömmlichen Motors. Bei dem Vier
taktbetrieb zündet jeder Zylinder mit einer maximalen Rate
von fast 2000 mal pro Minute (das entspricht 4000 U/min für
einen herkömmlichen Viertaktmotor). Bei einem tatsächlichen
Motor wird es von Vorteil sein, die Leistung unmittelbar
nach der Zündung zu entnehmen (um dadurch die maximale Ge
schwindigkeit des Kolbens zu verringern).
Das Vorstehende ist eine Analyse für den schlimmsten Fall,
wobei große Zylinder mit einem langen Hub verwendet werden.
Für kleinere Komponenten, die höhere Drücke tolerieren (da
die auf die Zylinderwände aufgebrachte Kraft das Produkt aus
Druck und Fläche ist) und für die die Hublänge und die Gewichte
verringert sind, kann die Umlaufgeschwindigkeit beträchtlich
erhöht werden (dies entspricht einer höheren Drehzahl U/min
bei herkömmlichen Motoren). Wenn z.B. in einem System, bei
dem die halbe Hublänge 2 in. (Zoll) ist, das Gewicht der
Kolben, der Pleuelstange und des Magnets 8 lb (Pfund) und der
Druck 2000 psia ist, verringert sich die Zeit t für einen hal
ben Hub auf 1,8 ms (dies entspricht 16000 U/min bei einem
herkömmlichen Motor). Ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist
vorteilhaft, weil die Leistungsausgabe pro Motorgewichtseinheit
erhöht ist und besonders weil bei höheren elektrischen Fre
quenzen ein kleinerer Eisenkern in den Motor/Generator sowie
in den Antriebsmotoren verwendet werden kann.
Diese Erfindung ist das Ergebnis der strategischen Kombination
von Faktoren einschließlich einer mechanischen und elektro
magnetischen Konstruktion und Computersteuerung auf eine
Weise, die einen einzigartigen optimierten Motor schafft. Jeder
dieser Faktoren stellt eine vorhandene oder gegenwärtig mög
liche Technologie dar und deshalb liegt die Erfindung inner
halb des Bereichs der heutigen Technik. Das Wesen dieser Er
findung ist die einzigartige Kombination der zum Herstellen
eines anpassungsfähigen optimierten Motors erforderlichen
Faktoren.
Es ist offenbar schwierig, genaue numerische Werte für Größen
wie den Wirkungsgrad eines Motors und den Grad der Umweltver
schmutzung, den er erzeugen könnte, zu erbringen, insbesondere
wenn der Motor auf verschiedenen Wegen konstruiert ist, um
verschiedene Ziele zu erreichen, und wenn er unter verschiede
nen Bedingungen betrieben wird. Es ist jedoch möglich, quali
tativ festzulegen, daß die Erfindung an dem herkömmlichen
Motor verbessert.
1. Die sehr einfache mechanische Konstruktion mit nur einem
beweglichen Teil pro Zylinder in der Kraftübertragung und die
einfache geradlinige Bewegung ermöglichen eine sehr steife
Halterung mit einem Minimum an Reibung. Dieser Aspekt zusam
men mit einem praktisch schwingungslosen Modul ermöglicht
einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb, der zu folgendem führt:
- a) einer höheren Leistungsabgabe pro Motorgewichtseinheit,
- b) geringen Produktionskosten,
- c) hoher Zuverlässigkeit,
- d) übermäßig ruhigem und schwingungslosem Betrieb,
- e) geringem Schmierungsbedarf,
- f) geringem Kühlbedarf,
- g) keinem Rütteln und keinem Spiel.
2. Die genaue Überwachung und Steuerung der Kolbenbewegung,
die zeitliche Steuerung usw. sowie die zusätzliche Energie
speicherung und der elektromagnetische Antrieb führen zu fol
gendem:
- a) einem Motor mit einem stufenlosen veränderbaren Kompressions verhältnis,
- b) einem Motor mit einer stufenlos veränderbaren Zeitsteuerung usw.,
- c) einem Motor, der Energierückgewinnung z.B. beim Bremsen, Warten auf grünes Licht usw. gestattet und der mit einer optimalen Geschwindigkeit unter sich ändernden Bedingungen arbeiten kann.
Unter herkömmlichen Betriebsbedingungen (konventionelles,
beinahe stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis, konventionel
les Kompressionsverhältnis (ungefähr 8 : 1), konventionelles
Benzin oder Dieselkraftstoff) erwarten wir keine beträchtliche
Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades (d.h. über
10% oder 15%) über den eines modernen gut konstruierten Motors, der
gut abgestimmt ist und mit seiner optimalen Geschwindigkeit
arbeitet. Bei den meisten Anwendungsfällen und insbesondere
im automobilen Bereich sind die Motoren jedoch oft nicht gut
eingestellt und arbeiten im allgemeinen mit Geschwindigkeiten,
die weit vom Optimum entfernt sind (wie durch die Tatsache
veranschaulicht wird, daß der Benzinwirkungsgrad im Stadt
verkehr viel geringer als beim Autobahnfahren ist). Deshalb
kann man auf der Grundlage der Faktoren 2a) , 2b) und 2c) und
unter praktischen Betriebsbedingungen erwarten, daß der vorge
schlagene Motor aufgrund seiner beispiellosen Anpassungsfähig
keit eine Verbesserung im Kraftstoffwirkungsgrad im Bereich
von 30 bis 60% über den konventioneller Motoren erbringen wird.
Außerdem kann eine zusätzliche Verbesserung in der Übertra
gung von Energie von dem Motor an die Antriebsmotoren in der
Größenordnung von 10 bis 20% durch die Ausschaltung eines
mechanischen Übertragungs- und Antriebsgetriebes und durch
die optimierte Impedanzanpassung zwischen dem Motor und den
Antriebsmotoren erzielt werden.
Unter neuen (nicht konventionellen) Betriebsbedingungen kann
der thermodynamische Wirkungsgrad dieses Motores zweimal so
hoch wie der eines herkömmlichen Motores (d.h. ungefähr 60%
im Vergleich zu 30% für einen herkömmlichen Motor) sein.
Nicht konventionelle Betriebsbedingungen beinhalten die Ver
wendung von hohen Kompressionsverhältnissen im Bereich von
15 : 1 bis 25 : 1, mageren Kraftstoffluftverhältnissen im
Bereich von 40% bis 80% des stöchiometrischen Kraftstoffluft
verhältnisses und die Verwendung von speziellen Kraftstoffen.
Dieser Anspruch wird durch die Kraftstoffluftumlaufdaten, die
von Charles Taylor (in The Internal-Combustion Engine in
Theory and Practice, Seiten 2 und 3, 1974, M.I.T. Press) an
gegeben sind, begründet, die zeigen, daß thermodynamische
Wirkungsgrade bis zu 64% erhalten werden können.
Da spezielle Kraftstoffe nicht in großen Mengen kurzfristig
eingeführt werden können, müssen Kompromißlösungen unter Ver
wendung von Benzin gefunden werden. Eine Vorbrennkammer (nicht
dargestellt) kann verwendet werden, die ihr eigenes Miniatur
einlaßventil hat, um eine kleine Menge einer reichen Mischung
in der Nähe der Zündkerze zu liefern.
Auf ähnliche Art und Weise können die Anpassungsfähigkeit und
die Computersteuerungsaspekte dieser Erfindung dazu verwendet
werden, den Umweltschutz zu verbessern. Der effektivste Weg
zum Verringern der Kohlendioxidemission (um ungefähr 70%
bis 80%) besteht darin, den gesamten Kraftstoffwirkungsgrad
wie oben beschrieben zu verbessern und Kraftstoffe wie Erdgas
(das ein höheres Verhältnis von Wasserstoff- und Kohlenstoff
atomen enthält) zu verwenden und dadurch ein höheres Verhält
nis der thermischen Energieausgabe zu der Kohlendioxidemis
sion zu schaffen. Die Schwefeldioxidemission kann auch durch
die Verwendung von sauberen Kraftstoffen wie Propan oder Erd
gas, die wirksam gereinigt wurden, stark verringert werden.
Die Stickoxidemission kann durch eine bessere Temperatur
steuerung verringert werden, um ein besseres Temperaturprofil
(Vermeidung von scharfen Spitzen) während und kurz nach der
Zündung zu erhalten. Bei Motoren mit hoher Kompression können
diese Temperaturen beträchtlich durch die Verwendung von ma
geren Kraftstoffluftverhältnissen verringert werden. Magere
Kraftstoffluftverhältnisse verringern natürlich die Leistung
eines Motors. Da jedoch der vorgeschlagene Motor in der Lage
ist, mit sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben zu werden,
kann seine Gesamtleistung immer noch hoch bleiben.
Das Vorstehende stellt eine kurze Analyse und Beschreibung der
Verbesserungen, die sich aus der hier beschriebenen Erfindung
ergeben, dar. Viele andere Verbesserungen und Vorteile werden
sich für den auf diesem Gebiet der Erfindung tätigen Fachmann
ergeben.
Claims (5)
1. Hybridmotor mit einem Verbrennungsmotor, der mindestens
einen Zylinder, einen darin hin- und herbeweglichen Kolben,
eine Kraftstoff- und Lufteinlaßeinrichtung, die mit dem Zylin
der wirkmäßig verbunden ist, eine Einrichtung zum Ausstoßen
der Gase aus dem Zylinder und eine Quelle zum Zünden des Kraft
stoff-Luft-Gemisches, die auch mit dem Zylinder wirkmäßig ver
bunden ist, eine Pleuelstange, die mit ihrem einen Ende an dem
Kolben befestigt ist und mit ihm entlang einer gemeinsamen
Achse hin- und herbewegbar ist, und eine Lagereinrichtung auf
weist, die an einer Tragstruktur zum Abstützen der Pleuelstan
ge für die Hin- und Herbewegung angeordnet ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein Wandler (12, 16, 17; 20) in Form eines
Lineargenerators vorgesehen ist, der einen Magnet (12), der
an der Pleuelstange (13) wirkmäßig befestigt und mit ihr hin
und herbewegbar ist, und eine Joch- und Wicklungskombination
(16, 16 A, 17) aufweist, die an der Tragstruktur (S) ortsfest
und in Wirkverbindung mit dem Magnet (12) angeordnet ist, daß
auch ein Stellungsanzeiger (18) an der Tragstruktur (S) ange
ordnet und wirkmäßig mit der Pleuelstange (13) zum Anzeigen
der Stellung, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Pleuel
stange (13) als eine Funktion der Zeit in ausgewählten Orten
und/oder Zeitabschnitten verbunden ist und daß eine Computer
einrichtung (19) wirkmäßig mit dem Stellungsanzeiger (18) und
dem Motor verbunden ist, um die Betriebscharakteristika des
Motors in Abhängigkeit von den erforderlichen Betriebspara
metern in jedem gegebenen Zeitrahmen des Betriebs zu steuern.
2. Hybridmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stellungsanzeiger (18) den Betrieb der zugeordneten
Kraftstoff- und Lufteinlaßeinrichtung und der Zündeinrichtung
steuert.
3. Hybridmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Joch- und Wicklungskombination (16, 16 A, 17)
die Pleuelstange (13) umgibt, wobei der Magnet (12) innerhalb
der Joch- und Wicklungskombination (16, 16 A, 17) hin- und her
bewegbar ist.
4. Hybridmotor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, da
durch gekennzeichnet, daß der Wandler (12, 16, 17; 20) einen
Linearmotor/-generator umfaßt, wobei der Computer (19) auch
den Wandler (12, 16, 17; 20) zwischen seinem Betrieb als elektri
scher Generator während eines Teiles des Umlaufs des Kolbens
(10, 10 A, 10 B) und der Pleuelstange (13), wie z.B. während
ihres Krafthubes, und als Elektromotor während des Rests des
Umlaufs des Kolbens (10, 10 A, 10 B) und der Pleuelstange (13)
steuert.
5. Hybridmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor mindestens
ein Paar Zylinder (11 A, 11 B), die entlang einer gemeinsamen
Achse voneinander beabstandet sind und sich gegenüberliegen,
eine Pleuelstange (13), einen Kolben (10 A, 10 B), der an jedem
Ende der Pleuelstange (13) befestigt ist, wobei jeder Kolben
in einem der Zylinder (11 A, 11 B) entlang einer gemeinsamen
Achse hin- und herbewegbar ist, wobei der Wandler (20) im
wesentlichen in der Mitte der Länge der Verbindungsstange
(13) angeordnet ist.
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