DE4315229A1 - Insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienender, durch eine Brennkraftmaschine mit frei fliegenden Kolben angetriebener Elektrogenerator - Google Patents

Description

Wie die Dampfmaschinen des 18. Jahrhunderts treiben Kurbel­ triebwerke noch heute unsere Automobile an, obwohl allein dadurch rund ein Viertel der eingeleiteten Energie verloren geht. Lenoir war der erste, der dieses Problem erkannte, je­ doch scheiterte er ebenso wie später Oechelhäuser und Junkers mit ihren Flugkolbenverbrennungsmaschinen. Mechanisch ist die Aufgabe, longitudinale Flugkolbenenergie mit annehmbarem Wir­ kungsgrad in eine bei Fahrzeugantrieben unumgängliche Rotations­ energie umzuwandeln, nicht lösbar.

Die in der US-PS 35 10 703 unter Schutz gestellte Lösung, mecha­ nische Energie eines Flugkolben-Verbrennungsmotors durch einen längs betriebenen Generator in elektrische Energie umzuwandeln, die dann in Umlaufmotoren als Fahrzeugantrieb dienen können, zeigt den zu beschreitenden Weg. Für einen Kraftwagenantrieb weist diese als stationäre Stromerzeugerin marktgängig geworde­ ne Lösung den Nachteil auf, daß der elektrische Teil zwischen den Kolbentriebwerken des Verbrennungsmotorantriebs liegt, Bau­ länge und Gewicht der Maschine somit relativ groß ausfallen. Ein Nachteil dieses Generators besteht ferner darin, daß die den Magnetfluß-Austausch zwischen Stator und längs bewegtem Anker longitudinal statt drehend oder radial schwenkend erfolgt, wodurch sich ein kleinerer Wirkungsgrad und daher ein zusätz­ licher Gewichtsaufwand ergibt.

Inzwischen sind die genannten beiden Nachteile durch den Gegen­ stand der D-PS 35 39 069 dadurch behoben, daß das radial schwenkende Generatorteil beidseitig des beispielsweise durch Zahnstangen verbundenen Kolbenpaares des Verbrennungsmotorteiles angeordnet ist. Wie bei der Ursprungslösung tritt auch bei dieser Weiterbildung kein Kolbenseitendruck wie bei den Kurbeltrieben der heutigen Kraftwagenmotoren auf, wodurch gegenüber letzteren bereits eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Maschine um 25 bis 30% ermöglicht wird.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, einen als Kraft­ fahrzeugantrieb dienenden Elektrogenerator zu schaffen, dessen Brennkraftmaschinenteil dadurch seine elektrisch-mechanische Verbindung zum Generator erhält, daß sein Stoffwechsel elek­ trisch im Arbeitstakt des Generators gesteuert wird und dessen bei voller Leistung im Abgas entstehender Energieüberschuß in den Generator zurückgeführt wird, um den Wirkungsgrad der Maschine zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Zentralwelle über ein Untersetzungsgetriebe mit einer zentrisch zur Zentralwelle angeordneten Synchronwechselstrommaschine verbunden, deren Statorwicklung der des Generators derart angeschlossen ist, daß sie bei einer Hin- und Herbewegung der Läufersegmente des Generators eine Umdrehung durchführt und über Zahnräder die zur Bewegung der Brennkraftmaschinenkolben synchrone Steuerung der Stoffwechsel-Drehschieber vornimmt.

In noch weiterer Ausbildung der Erfindung werden Kolben und Zy­ linder der Brennkraftmaschine im Querschnitt rechteckig gestal­ tet, wodurch die Überfahrung der Stoffwechselschlitze ohne Ab­ nutzung der Dichtstege am Kolben mit besserem Wirkungsgrad als bei zylindrischer Ausführung von Zylinder und Kolben erfolgt und die längs der Stoffwechselschlitze angeordneten Drehschieber durch äußerst kleine Toträume mit den Kolbenlaufflächen im Zy­ linder in Verbindung stehen. In noch weiterer Ausbildung der Erfindung ist bei einer Ausbildung der Brennkraftmaschine als Selbstzünder jeder Arbeitskolben an seiner Brennraumoberfläche mit einer abgerundeten Rippe versehen, welche beim Verdichten in einen im Zylinderkopf angebrachten zylindrischen Brennraum ein­ greifen, in den der Brennstoff eingespritzt wird.

In den Abb. ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 1 zeigt den in Fig. 2 mit A-B gekennzeichneten Längs- und Fig. 2 den in Fig. 1 mit C-D gekennzeichneten Quer­ schnitt durch den zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dienenden Elektrogenerator. In Fig. 3 ist die Auslass-Seite und in Fig. 4 die Einlass-Seite des Brennkraftmaschinenteils des Generators veranschaulicht. Schließlich ist in Fig. 5 das Stoffwechsel- Diagramm des Brennkraftmaschinenteils wiedergegeben.

In den Abb. ist mit 1 der Ständer des Generators bezeich­ net, in dessen Innenzylinder die beiden Läufersegmente 2 und 3 gegenläufig zum Kolbenpaar 15, 16 schwingen und in der Ständer­ wicklung 1 Wechselstrom induzieren. Die Läufersegmente schwin­ gen um die, den Rechteckzylinder 5 durchdringende, die Ständer­ mittenachse bildende Schwenkachse 4.

Das Läufersegment 2 ist über Schwenkarme 6 und 7 mit der Schwenk­ welle 8 und das Läufersegment 3 über über Schwenkarme 9 und 10 mit den die Schwenkwelle umfassenden Hohlwellen 11 und 12 ver­ bunden. Die im Zylinder 5 gleichsinnig schwingenden, durch zwei mit gegenüberliegenden Verzahnungen ausgerüstete Platten 13 und 14 verbundenen Kolben 15 und 16 des Brennkraftmaschinenteils treiben über die mit den Verzahnungen der Platten 13 und 14 kämmenden Segmenthebel 17 und 18 die sich gegenläufig zu den Kol­ ben 15 und 16 bewegenden Läufersegmente 2 und 3 an, wodurch die schwingenden Massen ausgeglichen sind.

Die Brennkraftmaschine arbeitet im Zweitakt nach dem Dieselver­ fahren. Hierzu sind in den Zylinderköpfen Halbzylinderräume 21 und 22 angeordnet, in die beim Verdichten auf den Kolbenoberflä­ chen angebrachte abgerundete Rippen 19, 20 eingreifen, welche im Zusammenwirken mit den Zylinderkopfausnehmungen 21, 22 einen intensiven Luftwirbel erzeugen, in den mit Höchstdruck Brenn­ stoff eingespritzt wird.

Den Stoffwechsel der Arbeitsräume 41 und 42 steuern Drehschieber 23 bis 26, welche über Zahnräder 34 bis 37, welche von einem Zentralrad 33₁ angetrieben sind, betätigt werden. Hierzu weist der Generator eine Wechselstromsynchronmaschine 38, 39 auf, deren Ständerwicklung 39 von der Ständerwicklung 1 derart beauf­ schlagt wird, daß sie bei einer Hin- und Herbewegung der Läufer­ segmente 1, 2 eine Umdrehung durchführt, also bei 50 Hz des Generators 3000 l/min. Der Anker der Wechselstromsynchronmaschine 38 ist über das Planetengetriebe 30 bis 32 über dessen Sonnenrad 30 mit der im Zentrum der Hohlwellen 11 und 12 angeordneten Welle 29 verbunden, welche das Laderrad 28 zum Füllen der Arbeits­ zylinder über die Drehschieber 23 und 26 sowie die Turbine 27 antreibt. Der Turbine werden über die Drehschieber 24 und 25 die Auspuffgase zugeführt, deren Energieinhalt zum Antrieb des Turboladers dient und bei einem, diesen Arbeitsaufwand überstei­ genden Wert dem Generator über die Synchronwechselstrommaschine 38, 39 zugeführt wird.

Das Planetengetriebe mit dem auf der Welle 29 angebrachten Zentralrad 30, den am mit dem Läufer 38 verbundenen Steg 33 gelagerten Planetenrädern 31 und dem mit dem feststehenden Stän­ der 1 verbundenen Glockenrad 32 weist eine Übersetzung in der Größenordnung i = 10 auf, so daß bei einer Generatorfrequenz von 50 Hz der Anker 38 3000 und Lader und Abgasturbine 30000 Umläufe/Minute durchführen.

In Fig. 3 ist die Verbindung der Auslass-Drehschieber 24 und 25 mit der Abgasturbine 27 über die beiden Gasführungen 24₁ und 25₁ und in Fig. 4 die Verbindung des Laders 28 mit den Drehschiebern 23 und 26 über die Gasführungen 23₁ und 26₁ veranschaulicht. Über den Stutzen 27₁ wird das entspannte Abgas in den Auspuff und über den Stutzen 28₁ dem Lader Luft zugeführt. In Fig. 5 ist das durch die Drehschieber des Zweitakt-Brennkraftmaschinen­ teils des Generators erzeugte unsymmetrische Stoffwechsel-Dia­ gramm wiedergegeben.

Zum Anlassen der Maschine ist die Zentralwelle 29 mit einem Fortsatz 29₁ versehen, über den der mit Batteriestrom beschick­ te, mit Freilauf ausgerüstete Gleichstromanlasser 40 über das Planetengetriebe 30 bis 33, die von der Batterie über einen E- Wandler ebenfalls unter Strom gesetzte Wechselstrommaschine 38, 39 den Generator 1 bis 3 mit Brennkraftmaschine anwirft.

Ein Gewichts- und Wirkungsgradvergleich zwischen einem 4-zylindrigen, aufgeladenen Viertaktdiesel-PKW-Antrieb von 50 kW mit einem Generatorantrieb der Erfindung gleicher Lei­ stung ergibt folgendes Bild:

Der konventionelle Antrieb ist wegen des erheblichen mecha­ nischen Aufwandes für Motor, Schaltgetriebe und Achsantrieb um 18 bis 25% schwerer als der Generatorantrieb.

Wegen Fortfall des den mechanischen Wirkungsgrad deutlich verkleinernden Kurbeltriebes und durch Anwendung der in vor­ liegender Erfindung empfohlenen Zweitakt-Dieselmotor-Verbes­ serungen (ebene Laufflächen der Kolben, Brennraumgestaltung und Energierückkopplung bei voller Motorbelastung) wird der Wirkungsgrad des Generatorantriebs insgesamt 45 bis 48% be­ tragen, während der konventionelle Antrieb erfahrungsgemäß einen Gesamtwirkungsgrad von 32% nicht übersteigen kann.

Claims (5)

1. Insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen dienender, durch eine Brennkraftmaschine mit frei fliegenden Kolben angetriebener Elektrogenerator, welcher mit einem fest­ stehenden Ständer und erregenden Läuferelementen ausge­ rüstet ist, die von Verbindungsgliedern der Kolben durch Übertragungselemente aus einer, auf in der Mitte des oder der Brennkraftmaschinen-Zylinder gelagerten Läuferschwenk­ welle und einer, letztere umfassenden Hohlwelle und zur Kolbenbewegung gegenläufig schwingenden, über Zahnsegmente, Hebel oder Lenker mit den Kolben der Brennkraftmaschine gekoppelten Läufersegmenten des Generators bestehen und diese Läufersegmente mit als Rotationsflächen ausgebilde­ ten, den Magnetfluß auf den Ständer übertragenden Außenflächen ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für den Motor-Stoffwechsel in der als Hohlwelle ausgebildeten Läuferschwenkwelle (8) des Generators eine durchgehende, auf einer Stirnseite ein Verdichter-Kreiselrad (28) und auf der Rückseite des Generators ein Abgas-Turbinenrad (27) tragende Zentralwelle (29) angeordnet sind.

2. Elektrogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwelle (29) über ein Untersetzungsgetriebe (30 bis 32) mit einer zentrisch zur Zentralwelle angeordne­ ten Synchronwechselstrommaschine (38, 39) verbunden ist, deren Statorwicklung (39) an die Statorwicklung (1) derart angeschlossen ist, daß sie bei einer Hin- und Herbewegung der Läufersegmente (2, 3) des Generators eine Umdrehung durch­ führt und über Zahnräder (34 bis 37) die zur Kolbenbewegung synchrone Steuerung der Stoffwechsel-Drehschieber (23 bis 26) vornimmt.

3. Elektrogenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abgasturbine (27) und Synchronwechselstrommaschine (38, 39) derart bemessen sind, daß von einer bestimmten Brennkraftma­ schinenbelastunng ab Abgasüberschußenergie von der Abgasturbi­ ne (27) über die Zentralwelle (29) und das Getriebe (30 bis 33) in die Synchron-Wechselstrommaschine (38, 39) und von dort in den Generator (1 bis 3) geführt wird.

4. Elektrogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kolben (15, 16) und Zylinder (5) der Brennkraftmaschine rechteckigen Querschnitt aufweisen.

5. Elektrogenerator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einer Ausbildung der Brennkraftmaschine als Selbstzündungsmaschine die Arbeitskolben (15 und 16) je eine abgerundete Rippe (19 und 20) aufweisen, welche bei der Ver­ dichtung in Zusammenwirken mit den in den Zylinderköpfen angeordneten halbzylindrischen Querausnehmungen (21 und 22) eine intensive Luftströmung erzeugen, in deren Zentrum der Brennstoff eingespritzt wird.