DE4133948C2 - Freikolbenmotor - Google Patents

Description

Verbrennungsmotoren nach dem derzeitigen Stand der Technik besitzen eine Kurbelwelle mit angebautem Schwungrad zur Steuerung der Kolbenbewegung im Verbrennungszylinder. Der Kolben führt eine Hin- und Herbewegung aus und wird dabei periodisch aus dem Stillstand auf eine, der jeweiligen Drehzahl entsprechende Maximalgeschwindigkeit beschleunigt, um sofort darauf wieder abgebremst zu werden. Der Kolben erhält dabei regelmäßig in der Beschleunigungsphase Energie aus dem Schwungrad, die er während des Abbremsens wieder vollständig an dieses zurückgibt. Die Kurbelwelle sorgt durch einen mit der Umdrehung des Schwungrades kontinuierlich veränderlichen Hebelarm für die optimale Anpassung der Schwingbewegung des Kolbens an die weitgehend gleichmäßige Umdrehung des Schwungrades. Damit eine eindeutige Bewegungsrichtung gewährleistet ist, d. h. der Motor während des Betriebs seine Bewegungsrichtung nicht durch sogenanntes "Zurückschlagen" umkehrt, darf der Motor erst ab einer bestimmten Mindestdrehzahl überhaupt erst zünden und damit Energie liefern. Für den Betrieb des Motors ist es somit notwendig, durch einen Startvorgang das Schwungrad auf eine angemessene Geschwindigkeit zu bringen. Während des Startvorgangs kann der Motor einerseits keine Energie liefern und erzeugt zum anderen durch den Ausstoß unverbrannter bzw. unvollständig verbrannter Kraftstoffpartikel eine unnötige Umweltbelastung. Durch den sich ständig verändernden Hebelarm an Kurbelwelle und Pleuel entstehen Kräfte am Kolben die zu äußerst komplexen Belastungen aller beweglichen Teile führen und einen hohen Verschleiß verursachen. Aus diesem Grund wurden bereits mehrere Systeme vorgeschlagen, die auf Kurbelwelle und Schwungrad verzichteten. Die in der Praxis realisierten Systeme arbeiten ausschließlich als Gasdruckerzeuger und erreichen auch bemerkenswerte Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Wirkungsgrades. Allerdings sind diese Motoren wesentlich schwerer zu starten und weisen Schwierigkeiten bei der Koordination der Bewegung der einzelnen Kolben auf. Verschiedene Vorschläge sollten eine bessere Synchronisation der Bewegungen in einer Freikolbenmaschine ermöglichen, so daß z. B. in DE-AS 10 48 739 vorgeschlagen wurde, diese Aufgabe durch magnetische Kräfte aus Permanentmagneten oder elektrisch erregten Magneten zu lösen. Einige Vorschläge, z. B. DE-OS 27 13 548 oder DE 39 13 806 A1 gehen sogar soweit, daß der Motor ausschließlich elektrische Energie erzeugen soll, indem der Verbrennungskolben nur mit einem Permanentmagneten oder magnetischem Material verbunden werden soll. Maschinen dieser Art konnten jedoch nicht verwirklicht werden, da die hohen Kräfte für die Bewegung des Verbrennungskolbens, die im übrigen bei dieser Maschinenart höher als der entstehende Verbrennungsdruck sind, bedingt durch größere zu beschleunigende Massen von Kolben und Magneten, nur von überdimensionalen Magneten erreicht werden können. Da Permanentmagnete sehr empfindlich auf höhere Temperaturen reagieren und dabei in der Regel auch ihre Remanenz verlieren, wären diese Motoren sehr störanfällig. Eine gemeinsame Eigenschaft aller bisher vorgeschlagenen Systeme ist auch die Verwendung von einem oder mehreren Magneten, entweder elektrisch erregt oder durch Remanenz, die eine Kraft auf entweder weitere Magnete oder ferromagnetisches Material ausüben. Die Funktion all dieser vorgeschlagenen Systeme kann mit der Wirkungsweise der Gleichstrommaschine verglichen werden, mit der damit verknüpften Eigenschaft der ungleichmäßigen Kraftentwicklung, bedingt durch die relativ niedrige, technisch realisierbare Polzahl längs der kurzen Lauflänge. Es sei hier auch an die Grenze der Leistung für Gleichstrommaschinen, wie sie ausführlich in der technischen Literatur erörtert ist, hingewiesen.

Die hier vorgestellte Erfindung betrifft einen Freikolbenmotor, der ohne Startvorgang sofort elektrische Energie abgeben kann. Die periodisch zu beschleunigenden Massen wurden auf ein Mindestmaß reduziert, indem der Verbrennungskolben, welcher wie auch bisher üblich aus Aluminium besteht, durch seine elektrische Leitfähigkeit auch gleichzeitig den Läufer eines linearen Asynchronmotors darstellt. Da Aluminium einen guten elektrischen Leiter darstellt, können in dem Verbrennungskolben durch ein von außen angelegtes elektromagnetisches Wanderfeld hohe Kurzschlußströme induziert werden, die nach der Lenzschen Regel Kräfte auf den Verbrennungskolben zur Folge haben. Nach diesem Verfahren können theoretisch fast unbegrenzt hohe Kräfte erzeugt werden. Obwohl ein vollständig aus Aluminium aufgebauter Verbrennungskolben durch Induktion von Kurzschlußströmen bewegt werden kann, ergeben sich für die Erzeugung des Wanderfeldes unvertretbare Nachteile, insbesondere für die Größe der für das Wanderfeld notwendigen Erregereinrichtung. Um diese Nachteile zu vermeiden, muß der entstehende magnetische Fluß weitgehend in Dynamoblech geführt werden. Das betrifft natürlich auch den Verbrennungskolben, der somit entlang seiner Lauffläche regelmäßige Aussparungen aufweisen muß und innen hohl sein muß, damit er mit Dynamoblechen aufgefüllt werden kann, die an die Kolbenform angepaßt sind und senkrecht an der Lauffläche enden. Auf diese Weise entsteht ein magnetischer Kreis, der als einzigen Luftspalt den Freiraum zwischen Kolben und Zylinderwand aufweist. Der entstandene Verbrennungskolben besitzt somit mindestens eine Kurzschlußwicklung und hat keine Verbindung zu irgendwelchen weiteren Teilen. Er ist völlig frei beweglich. Die Laufgeschwindigkeit des Wanderfeldes relativ zu der Geschwindigkeit des Verbrennungskolbens bestimmt, ob die Funktion der elektrischen Einrichtung die eines Motors oder eines Generators ist. Die relative Abweichung der beiden Geschwindigkeiten zueinander bestimmt den Betrag der beschleunigenden oder bremsenden Kraft. Die Hubzahl des Motors, entsprechend der Drehzahl der herkömmlichen Maschine ist niedrig, bedingt durch die höhere, schwingende Masse. Wird für die Bewegung des Kolbens in Anlehnung an die bewährte Kurbelwellenmaschine eine Sinusfunktion des Weg-Zeit- Gesetzes mit Nullpunkt auf halber Länge der Laufstrecke zugrunde gelegt, so wächst die Beschleunigung auf den Kolben quadratisch mit der zugehörigen Kreisfrequenz, da die Beschleunigung mathematisch die zweite Ableitung des Weg-Zeit-Gesetzes darstellt. Die Beschleunigungs-Zeit-Funktion ist damit wiederum eine Sinusfunktion. Da die momentane Kraft auf den Kolben sich aus dem Produkt seiner Masse und der notwendigen Beschleunigung ergibt, ist leicht erkennbar, daß die neue Maschine nur eine geringe Hubzahl verkraften kann. Interessanterweise werden an den Kolbenumkehrpunkten die größten Kräfte benötigt, da die Sinusfunktion der Beschleunigung hier ihre größten Werte annimmt. Sie liegen bei Hubzahlen, vergleichbar herkömmlicher Industriedieselmotoren, über dem tausendfachen des Eigengewichtes des Kolbens und können sogar größer als der maximale Verbrennungsdruck sein. Um die gegenüber herkömmlichen Motoren größere Bauform dennoch möglichst gering zu halten, ist in der Praxis das Zweitakt-Dieselverfahren die geeignetste Arbeitsweise. Um einen möglichst großen Teil des Kolbens innerhalb des Einflusses des Wanderfelds zu halten, ist eine Anordnung mit zwei gegenüberliegenden Brennräumen und einem gemeinsam genutzten Kolben/Läufer sinnvoll. Damit die beschleunigenden bzw. bremsenden Kräfte an die Hin- und Herbewegung angepaßt werden können, muß die Geschwindigkeit des ursächlichen Wanderfeldes elektronisch gesteuert werden können. Weiterhin muß die tatsächliche Geschwindigkeit und der Ort des Kolbens kontinuierlich über eine eigene Meßeinrichtung bestimmt werden können um damit durch Vergleich mit der elektronisch vorgegebenen Soll-Bewegung die Frequenz und Spannung für das Erregerfeld zu bestimmen. Durch die Steuerung des Erregerfeldes ist gewährleistet, daß im Verbrennungskolben nur Ströme niedriger Frequenz induziert werden. Auf diese Weise kann im Kolben/Läufer grobgeblechtes Dynamoblech eingesetzt werden.

Als Ausführungsbeispiel wird die Maschine als Zweitakt-Diesel beschrieben. Die Maschine besitzt anstatt des üblichen Schwungrades einen elektrischen Kondensator zur statischen Energiespeicherung. Sollte der Kondensator entladen sein, so wird er aus einer Batterie über einen Wechselrichter auf seine Betriebsspannung von einigen Hundert oder sogar bis weit über 1000 Volt aufgeladen. In der Regel besitzen handelsübliche Kondensatoren noch nach einigen Tagen genügend Reserve aus vorangegangenem Betrieb. Der Kondensator ist Bestandteil des aus der Technik bekannten Prinzips des "Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichters". Der Umrichter erzeugt den für das Wanderfeld notwendigen Drehstrom, einstellbar nach Frequenz und Spannung. An dem Kondensator wird auch die durch den Verbrennungsvorgang entstehende überschüssige elektrische Energie abgenommen. Die Energieabgabe muß ebenfalls von einer Elektronikschaltung kontrolliert werden, damit die Gleichspannung am Kondensator innerhalb definierter Grenzen erhalten bleibt. Die Steuerung der Maschine ist sehr komplex und kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Im folgenden wird eine Ausführungsform für eine Analog-Steuerung beschrieben.

Entsprechend der Verstellung des Reglergestänges beim herkömmlichen Dieselmotor wird für die vorliegende Maschine eine Steuerspannung zur Verfügung gestellt. Diese Steuerspannung bestimmt die Soll- Kreisfrequenz der Kolbenschwingung. Alternativ könnte auch bei fest vorgegebener Soll-Kreisfrequenz die Dieseleinspritzmenge gesteuert werden. Letzteres könnte rein mechanisch erfolgen. Aus dem an der Meßeinrichtung am Verbrennungskolben gewonnenen Wert für den momentanen Kolbenort ergibt sich der Ist-Wert für die Phase der tatsächlichen Kreisfrequenz. Die Geschwindigkeit kann von einer einfachen Elektronikschaltung errechnet und in einen Spannungswert verwandelt werden. Durch die Vorgabe der Soll-Schwingung entspricht dem gemessenen Phasenwert ein Soll-Wert für die Vorgabe-Schwingung. Die zugehörige Geschwindigkeit, ausgedrückt durch einen definierten Spannungswert, kann durch phasenrichtiges Abtasten eines freilaufenden Referenzoszillators mit sinusähnlichem Spannungsverlauf und einer um ein Vielfaches höheren Kreisfrequenz ermittelt werden. Ein Regler leitet aus diesen beiden Werten die Steuerspannungen für den Umrichter ab, die dessen Ausgangsfrequenz- und Spannung bestimmen. Die Elektronikschaltung enthält also eine Regeleinrichtung, die über das Wanderfeld der Erregereinrichtung versucht, die Kolbenbewegung nach einer Sinusfunktion zu steuern und Abweichungen davon nachzuregeln. Entsprechend dem hierfür erforderlichen positiven bzw. negativen Betrag des Funktionswertes des Beschleunigungsbetrages wird ein gegenüber der Kolbenbewegung vor- bzw. nacheilendes Wanderfeld erzeugt und damit entweder der Kondensator entladen oder aufgeladen. Entsteht im Motor eine Verbrennung, so wirkt sich dies über zusätzliche Kräfte auf den Verbrennungskolben wie eine Störung auf die vorgegebene Bewegung aus. Die elektronische Regeleinrichtung verändert dabei sofort die Geschwindigkeit des erregenden Wanderfeldes um den Kolben entweder nicht so stark durch elektrische Energie zu beschleunigen oder sogar abzubremsen. In jedem Fall muß die gesamte Bewegungsenergie des Kolbens am nächsten Umkehrpunkt (abzüglich Verluste) vollständig in elektrische Energie umgewandelt werden. Der durch die Verbrennung entstehende Überschuß an elektrischer Energie würde zu einer Erhöhung der Kondensatorspannung führen und muß daher als Nutzenergie abgeführt werden. Ventilsteuerung und Einspritzung können mechanisch ausgeführt sein und entweder die gleiche oder ähnliche Einrichtungen wie für die Meßeinrichtung für den Kolbenort verwenden. Nachdem der Aluminiumkolben durch das Einfügen von Dynamoblech einen magnetischen Kreis schließt, verhindern die Magnetkräfte ein Verdrehen des Kolbens. Die an der Seite des Kolbens befindlichen Führungsnuten können daher für andere Aufgaben mitverwendet werden. Durch unterschiedliche Tiefe dieser Längsnut kann sehr einfach eine mechanische Dieseleinspritzpumpe gesteuert werden. Die gleiche Nut bzw. eine weitere kann eine mechanische Ventilsteuerung bewirken. Durch einen einfachen Mechanismus kann erreicht werden, daß der Führungsstift für die Ventilsteuerung zwischen zwei Nuten wechselt, wobei die Ventilsteuerung verbessert, bzw. an das Viertakt-Verfahren angepaßt wird. Die Tiefe der Nut an einer bestimmten Stelle des Kolbens bestimmt eindeutig den Kolbenort. Die elektronische Meßeinrichtung für den Kolbenort kann aus einem Hochfrequenzoszillator bestehen, dessen Schwingkreisspule vor der Nut angebracht ist. Je nach deren Tiefe wird der Oszillator mehr oder weniger gedämpft, so daß er einen Spannungswert in Abhängigkeit vom Kolbenort liefert. Die Technik des Umrichters soll an dieser Stelle nicht beschrieben werden, da es bereits ausführlich Literatur zu diesem Thema gibt (Wechselrichter, Frequenzumrichter). Ein schwieriges Thema sind neben den unerwünschten Regelschwingungen eventuelle Fehlschaltungen, d. h. Kurzschlüsse im Umrichter. Es kann erforderlich sein, bei einer Mehrzylindermaschine auf einen gemeinsamen Kondensator zu verzichten. An den Umkehrpunkten des Kolbens ergibt sich eine Analogie zur Kurbelwellenmaschine. Dort erhält man sehr kleine Hebelärme und somit einen schlechten Wirkungsgrad bei der herkömmlichen Maschine. Auch bei einer elektrischen Maschine geht der Wirkungsgrad bei Geschwindigkeit Null vollständig auf Null zurück. Gerade an den Umkehrpunkten müssen jedoch die größten Kräfte auf den Kolben aufgebracht werden. Es empfiehlt sich daher, wie auch für Kurbelwellenmaschinen bereits vorgeschlagen wurde, hier zusätzlich Federkräfte einzusetzen. Diese Federkräfte können am leichtesten von einem zweiten, gegenüberstehenden Zylinder aufgebracht werden, der den gleichen Verbrennungskolben benutzt. Die Kompressionskräfte in einem Zylinder sind immer dann am größten, wenn der elektrische Wirkungsgrad am schlechtesten wäre, so daß an den Umkehrpunkten die elektrische Erregung reduziert werden kann, bzw. gleichbedeutend hierzu, die Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht auf den für die niedrige Geschwindigkeit (Frequenz) eigentlich erforderlichen hohen Spannungswert erhöht würde. Der entstehende Verbrennungsdruck erleichtert ebenfalls die Kolbenumkehr. Schon aus diesem Grund ist eine Frühzündung im Brennraum gebräuchlich. Im Fehlerfall, d. h. ohne Zündung entsteht lediglich eine höhere Kompression, solange bis der nötige Druck hergestellt ist. Nachdem der Verbrennungskolben durch seine gegenüber herkömmlichen Maschinen größere Länge nicht vollständig in den Brennraum eindringt, können an ihm seitliche Zapfen angebracht werden, welche entweder für Steuerungsaufgaben (z. B. Ventile) oder zum Aufprall auf mechanische Federn zur Erleichterung der Richtungsumkehr genutzt werden können. Letzteres erzeugt allerdings eine hohe Geräuschentwicklung.

Das Zweitakt-Dieselverfahren erfordert eine Befüllung des Brennraumes mit vorverdichteter Luft. Damit die Eigenschaft der sofortigen Inbetriebnahme der Maschine ohne Startvorgang möglich ist, muß also in einem Druckbehälter Druckluft gespeichert werden. Diese Aufgabe wurde hier durch einen handelsüblichen, elektrischen Kleinkompressor bewältigt. In der Vergangenheit wurde für Zweitakt-Dieselmotoren ebenfalls mit Erfolg ein getrennter Druckluftkompressor eingesetzt (z. B. Krupp-Diesel).

Die Möglichkeit, die Maschine ohne Startvorgang zu betreiben, ergibt sich aus der Tatsache, daß die Energie zum Beschleunigen des Kolbens von Null auf seine Maximalgeschwindigkeit vollständig in dem Kondensator enthalten ist und die durch Induktion von Kurzschlußströmen erhaltenen magnetischen Kräfte vollständig zur Beschleunigung des Kolbens ausreichen. Gegebenenfalls muß der Anfangsort des Kolbens durch induzierte Magnetkräfte korrigiert werden. Ansonsten unterscheidet sich der Einschaltvorgang in nichts von den regelmäßig ablaufenden Vorgängen während des Betriebs.

Nach Anspruch 2 wird der Verbrennungskolben von zwei gegenüberliegenden Zylindern gemeinsam verwendet. Es ergibt sich eine bessere Ausnutzung des Verbrennungskolbens. Nachdem im Zylinderkopf sowohl eine sehr hohe Temperatur als auch ein hoher Druck entsteht, kann das Zylinderende nicht elektromagnetisch genutzt werden, da die relative Permeablilität von Dynamoblech hier stark zurückgeht, außerdem entstünden Abdichtungsprobleme. Die Maschine muß also so aufgebaut werden, daß der Bereich der Drehstromständerwicklung, welche das Wanderfeld erzeugt, kürzer ist als der Verbrennungskolben. Bei der Einzylindermaschine würde damit der Verbrennungskolben regelmäßig auf der dem Brennraum gegenüberliegenden Seite den Bereich der Erregerwicklung verlassen und könnte für Kraftwirkungen nicht genutzt werden. Wenn an diesem Ende ein weiterer Zylinder angeordnet wird, kann der Verbrennungskolben elektrisch besser ausgenutzt werden, d. h. gegenüber zwei einzelnen, unabhängigen Zylindereinheiten kann die benötigte Kolbenmasse deutlich reduziert werden und die ganze elektrische Einheit kann kleiner ausfallen. Der zweite Zylinder gibt außerdem eine zusätzliche Sicherheit im Störungsfall, wenn durch Ausfall der elektrischen Anlage der Kolben nicht mehr abgebremst werden könnte. Der entstehende Kompressionsdruck gewährleistet eine sichere Abbremsung des Kolbens. Das Zweitakt-Verfahren garantiert, daß in diesem Fall kein Ventil geöffnet ist, selbst bei einem sinnvollerweise verwendeten Auslaßventil für Gleichstromspülung. Die Einspritzdüse sitzt in der Regel im Bereich einer Mulde im Kolbenboden oder in einer Vorkammer, so daß sie ebenfalls vor Beschädigung geschützt ist. Durch den einfachen Aufbau des Zylinders kann auf eine Trennung zwischen Zylinderkopf und -mantel verzichtet werden, d. h. es entfallen auch die Kopfdichtung und die Zylinderkopfschrauben. Der Zylinder verträgt also höhere Drücke. Als Kraftstoff kommen somit bevorzugt Diesel und Brenngas zur Anwendung. Benzin ist wegen seiner Klopfempfindlichkeit und der damit verbundenen genauen Einhaltung der Kompressionswerte wenig geeignet.

Nachdem die Kraftentwicklung in einer elektrischen Asynchronmaschine (Induktionsmaschine) bei freier Frequenz- und Spannungswahl keine bestimmte Baugröße vorschreibt, sind die Abmessungen des Kolbens allein von der Kühlung abhängig. Durch elektrische Verluste im Aluminium wird der Kolben zusätzlich zur Verbrennung aufgeheizt. Der Kolben muß daher von dem grundsätzlich notwendigen Schmieröl vollständig umspült werden. Diese Ölkühlung ermöglicht eine gegenüber herkömmlichen elektrischen Maschinen deutlich verringerte Baugröße.

Der Motor wird aus Abdichtungs- und Kühlungsgründen als ausgeprägte Langhubausführung gebaut. In gleicher Weise werden die negativen, sogenannten "Endeffekte" der Wanderfeld-Erregerwicklung reduziert, da sich das Wanderfeld auf einer längeren Strecke ausbilden kann.

Die Möglichkeit einer schnellen und problemlosen Inbetriebnahme des Motors jedoch unter den Einschränkungen eines gegenüber herkömmlichen Maschinen schlechteren Leistungsgewichtes führt zu Hauptanwendungen als Notstromversorgung oder Energieversorgung für elektrisch betriebene Versorgungsfahrzeuge, die jeweils nur kurze Strecken zurücklegen (z. B. Postzustellung, Müllabfuhr, usw.).

Claims (2)

1. Freikolbenmotor nach dem Otto- oder Dieselverfahren, bei dem der frei bewegliche und elektrisch leitfähige Kolben den Läufer einer elektrischen Asynchronmaschine mit mindestens einer Kurzschlußwicklung darstellt, wobei im Läufer durch ein von außen angelegtes magnetisches Wanderfeld mit steuerbarer Geschwindigkeit Kurzschlußströme induziert werden, die beschleunigende oder bremsende Kräfte bewirken.

2. Freikolbenmotor nach Anspruch 1, bei dem der Kolben in einem Zylinder mit zwei gegenüberliegenden Brennräumen angetrieben wird und periodisch mit der Kolbenbewegung den Bereich des äußeren magnetischen Wanderfelds verläßt.