DE4405846C2 - Internal combustion engine electric generator drive for motor vehicles - Google Patents

Internal combustion engine electric generator drive for motor vehicles

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Description

Der zukünftige Automobilantrieb erfolgt elektrisch. Auch Federung, Niveausteuerung, sowie Bremsung müssen elektronisch geregelt werden, um diese Vorgänge hysteresefrei ablaufen lassen zu können.The future automotive drive will be electric. Also suspension, Level control, as well as braking must be regulated electronically in order to to be able to run these processes without hysteresis.

Beim Antrieb von Kraftwagen auf einen Verbrennungsmotor zu verzichten, um jede Verunreinigung der Atmosphäre auszuschliessen und beispielsweise die Bewegungsenergie des Kraftwagens allein aus einem elektrisch angetriebenen Schwungradspeicher zu beziehen, ist jedoch in zweifacher Hinsicht nachteilig:
Dispensing with an internal combustion engine when driving motor vehicles in order to exclude any pollution of the atmosphere and, for example, to obtain the kinetic energy of the motor vehicle solely from an electrically driven flywheel storage device is disadvantageous in two respects:

  • a) der Schwungradspeicher muss mit umweltbelasteten Kraftwerksstrom auf geladen werdena) the flywheel storage system must run on environmentally polluted power plant electricity getting charged
  • b) für den Kraftwagenantrieb steht dann eine Leistungsquelle mit abnehmen­ dem Energiepotential zur Verfügung, wodurch die Verkehrstüchtigkeit des Fahrzeugs laufend geringer wird und bei einem zu weit entladenen Speicher nicht mehr gewährleistet ist.b) for the motor vehicle drive is then a power source with decrease the energy potential available, causing the ability to drive of the vehicle is constantly decreasing and if the vehicle is too discharged Memory is no longer guaranteed.

Ein Schwungradspeicher eignet sich jedoch dafür, Verzögerungsenergie aufzunehmen, wodurch Antriebsenergie und somit Brennstoff eingespart werden kann.However, a flywheel storage is suitable for deceleration energy record, which saves drive energy and thus fuel can.

Inzwischen sind Vorschläge für Kraftfahrzeugantriebe mit Verbrennungsmotoren und angeflanschten Generatoren, welche über, an den Rädern angeordnete E-Motoren das Fahrzeug antreiben, bekannt geworden. Dadurch wird der mechanische Antriebsstrang mit Stufenschaltgetriebe, Antriebswellen mit Differential überflüssig. Eine wesentliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades wird dadurch allerdings nicht erzielt, weil der, Motorwirkungsgrad reduzierende, Kurbeltrieb des Antriebs beibehalten wurde.There are now suggestions for motor vehicle drives with internal combustion engines and flanged generators, which are arranged on the wheels Electric motors drive the vehicle, became known. This will make the mechanical drivetrain with multi-step transmission, drive shafts with Differential superfluous. A major improvement in However, overall efficiency is not achieved because Engine efficiency-reducing, crank drive of the drive was retained.

Durch das US-Patent 35 10 703 des Anmelders ist ein durch eine Brennkraftmaschine mit frei fliegendem Kolben angetriebener Elektrogenerator bekannt, bei dem die Mittenachse der längs freischwingenden Kolben der Brennkraftmaschine die Mittenachse des gleichfalls längs wirkenden Elektrogenerators darstellt und die schwingenden Motorteile derart mit den schwingenden Generatorteilen in kraftschlüssiger Verbindung stehen, daß ein Ausgleich der in Mittenachsrichtung wirkenden Kräfte erzielt wird.By the applicant's US patent 35 10 703 is an internal combustion engine known with a free-flying piston driven electric generator, in which the Center axis of the longitudinally freely oscillating pistons of the internal combustion engine Represents the central axis of the likewise longitudinally acting electrical generator and the vibrating engine parts in such a way with the vibrating generator parts in non-positive connection that balance in the center axis acting forces is achieved.

Der Leistungsbereich dieser Maschine ist dadurch nach oben begrenzt, daß nur ein Brennkraftmaschinenzylinder mit zwei verbundenen Arbeitskolben verwendet werden kann. Außerdem ist der axiale Raumaufwand des Brennkraftmaschinenteils infolge der zur Abstützung des Schwingläufers erforderlichen Führungsrollen, welche in einem ausreichenden Längenabstand befestigt sein müssen, relativ groß. Auch ist bei translatorischer Bewegung des Läufers im Ständer des Generatorteils die Einhaltung eines engen Luftspaltes schwieriger zu lösen als bei einer Rotationsbewegung.The performance range of this machine is limited by the fact that only one Internal combustion engine cylinders with two connected working pistons can be used can. In addition, the axial space requirement of the internal combustion engine part is due to the required to support the vibratory rotor guide rollers, which in one sufficient distance must be attached, relatively large. Is also at Compliance with translatory movement of the rotor in the stator of the generator part a narrow air gap is more difficult to solve than with a rotational movement.

Ferner ist der Elektrogenerator des Anmelders bekannt, bei dem die um eine der Zylinder der Brennkraftmaschine in der Mitte zwischen den freischwingenden Kolben durchdringende Schwenkachse gegenäufig zu den Kolben schwingenden Läufersegmente des Generators mit als Rotationsflächen ausgerüstet sind. Hierzu ist eine Zusatzlösung des Anmelders, P 35 46 315, bekannt, bei der das Gehäuse der Brennkraftmaschine zylindrisch ausgebildet ist und zusammen mit dem ebenfalls zylindrisch ausgebildeten, das Triebwerk der Brennkraftmaschine einschließenden Triebwerksgehäuse Teilringzylinder bildet, in denen sich leistenförmige, mit den Schwenkarmen verbundene Kolben zur Förderung der Spülluft in die Arbeitszylinder der Brennkraftmaschine bewegen.Furthermore, the applicant's electrical generator is known, in which one of the Cylinder of the internal combustion engine in the middle between the free-swinging pistons penetrating pivot axis swinging counter to the pistons Rotor segments of the generator are equipped with rotating surfaces. This is an additional solution by the applicant, P 35 46 315, known in which the housing of Internal combustion engine is cylindrical and together with the likewise cylindrical, enclosing the engine of the internal combustion engine Engine housing forms sub-ring cylinders in which strip-shaped, with the Pistons connected to swivel arms to convey the purge air into the working cylinders move the internal combustion engine.

Einen Elektroantrieb für Kraftfahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor/Generatorantrieb erheblich verbesserten Wirkungsgrades, schadstoffärmer, dazu durch Reduktion der Einzelteile leichter und billiger zu gestalten, hat sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt.An electric drive for motor vehicles with one Internal combustion engine / generator drive significantly improved efficiency, Less polluting, moreover by reducing the number of individual parts more easily and cheaply shape, the invention has set itself the task.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst. This object is solved by the characterizing features of the claim.  

In den Abbildungen ist ein Ausführungsbeispiel des Motor-Generators der Erfindung dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Schwingankergenerator, der durch einen mit zwei Brennräumen ausgerüsteten, durch Schwingkolben-Spülzylinder aufgeladenen Zweitakt-Diesel-Freikolbenmotor mit beispielsweise 0,65 l Hubvolumen angetrieben wird und bei 65 Hz Hubfrequenz 40 kW leistet. Ein durch dieses Gerät angetriebener Kleinwagen mit 1200 kg Bruttogewicht würde rechnerisch bei Drittelmix-Belastung des Fahrzeugs mit einem Dieselölverbrauch von unter 2 Liter/100 km auskommen.In the figures is an embodiment of the motor generator Invention shown. It is an oscillating armature generator, the one equipped with two combustion chambers, through Vibrating piston rinsing cylinder with two-stroke diesel free piston engine For example, 0.65 l stroke volume is driven and at 65 Hz stroke frequency 40 kW. A 1200 kg small car powered by this device Gross weight would be calculated with a third mix load of the vehicle a diesel oil consumption of less than 2 liters / 100 km.

Das Ausführungsbeispiel ist in drei Schnittebenen wiedergegeben. In Fig. 1 ist der in Fig. 2 und Fig. 3 mit A-B gekennzeichnete Längsschnitt durch den Dieselmotor-Arbeitsraum mit Vierkantkolben und beidseitig durch Zahnsegmente angetriebene Lade-Schwingkolben in den beiden Lade-Halbzylindern dargestellt. Fig. 2 gibt den in Fig. 3 mit G-H gekennzeichneten Querschnitt durch Lade-Halbzylinder sowie eine Seite des elektrischen Teiles des Gerätes wieder. In Fig. 3 ist schliesslich der senkrecht zum Schnitt A-B gelegte, in Fig. 1 mit E-F gekennzeichnete Querschnitt durch die elektrischen Teile beider Motorseiten, den Schwingkolben in seiner Schmalseite, sowie die zylindrischen Zündräume mit durch den Einspritz-Pumpdüsen veranschaulicht.The exemplary embodiment is shown in three sectional planes. In Fig. 1, 3 longitudinal section marked AB is represented by the diesel engine working space with square piston on both sides and driven by toothed segments charging oscillating piston in the two charging semi-cylinders in Fig. 2 and Fig.. Fig. 2 shows the cross-section marked GH in Fig. 3 through charging half-cylinder and one side of the electrical part of the device. In Fig. 3, finally, the cross section perpendicular to section AB, marked in Fig. 1 with EF through the electrical parts of both engine sides, the oscillating piston in its narrow side, and the cylindrical ignition chambers with through the injection pump nozzles is illustrated.

In den Abbildungen ist mi 1 der durch flache Stege 2 abgedichtete Grauguss-Rechteckkolben gekennzeichnet, der sich im seitlich offenen Leichtmetallgehäuse-Mittelteil 3 auf und ab bewegt. Letzteres ist durch Anker 4 mit den beiden, die Seitenflächen der Kolbenlaufbahnen bildenden und unter Deckeln 5 1, und 6 1 die Ständerwicklungen 7 und 8 tragenden Leichtmetall-Seitenteilen 5 und 6 fest verbunden. Die beiden Seitenteile sind bis auf die Oeffnungen 5 2, und 5 3 zur Aufnahme der Pumpdüsen 9 und 10 gleich ausgebildet. Sie weisen auf beiden Seiten die durch Gehäusemittelteil 3 und Seitenteile 5 und 6 gebildeten Motor-Arbeitsräume 11 und 12 mit Auslassschlitzen 13 auf, während die Einlassschlitze 14 senkrecht dazu im Gehäuse-Mittelteil 3 angeordnet sind. Dahinter befindet sich auf jeder Motorseite der Spülhalbzylinder 15 und 16, in denen sich die Schwenkkolben 15 1 und 16 1, angetrieben durch die in die Kolbenverzahnungen 1 1, und 1 2, eingreifenden Ritzel 15 2, und 16 2, die durch Schrauben 15 3 und 16 3 mit den Schwenkkolben 15 1 und 16 1 verbunden sind. Zur Zentrierung sind die Schwenkkolben auf Zylinderfortsätzen 15 6, 15 7 und 16 6, 16 7 gelagert. Die Schwenkkolben 15 1 und 16 1 saugen über die mit Membranen 15 4, 15 5 und 16 4 16 5, ausgerüsteten Saugkanäle 15 6 und 16 6 die Frischluft für den Motor an und drücken sie am jeweiligen UT des Motorkolbens über die Einlass-Schlitze 13 in die Arbeitsräume des Motors.In the figures mi 1 is the gray cast iron rectangular piston sealed by flat webs 2 , which moves up and down in the laterally open light metal housing middle part 3 . The latter is firmly connected by armature 4 to the two light metal side parts 5 and 6 , which form the side surfaces of the piston raceways and under covers 5 1 and 6 1, the stator windings 7 and 8 . The two side parts are of the same design except for the openings 5 2 and 5 3 for receiving the pump nozzles 9 and 10 . They have on both sides formed by the middle part 3 and side parts 5 and 6, motor working chambers 11 and 12 with outlet ports 13, while the inlet slots 14 are arranged perpendicular thereto in the central housing part. 3 Behind it is on each side of motor of Spülhalbzylinder 15 and 16, in which the oscillating pistons 15 1 and 16 1, driven by the piston splines 1 1 and 1 2, engaging pinion 15 2 and 16 2, by screws 15 3 and 16 3 are connected to the pivoting pistons 15 1 and 16 1 . The pivoting pistons are supported on cylinder extensions 15 6 , 15 7 and 16 6 , 16 7 for centering. The pivoting pistons 15 1 and 16 1 draw in fresh air for the engine via the suction channels 15 6 and 16 6 equipped with membranes 15 4 , 15 5 and 16 4 16 5 and press them on the respective UT of the engine piston via the inlet slots 13 into the engine's work spaces.

Zur Aufrichtung des Frischgasstromes und zur Wirbelbildung bei der Einspritzung ist der Kolben 1 mit zwei Rippen 1 3 und 1 4 ausgerüstet. Beim Frischgaseinlass sorgt die Rippe jeweils für eine Aufrichtung des Luftstromes, wie es die Pfeile 17 und 18 andeuten, um die Luft im Arbeitsraum zur schnellen Verteilung aufzurichten. Beim Verdichten sorgen dieselben Rippen, unterstützt durch die Quetschwirkung des Kolbens, für eine intensive Wirbelbewegung im Brennraum, um den Zündverzug beim Einspritzen zu reduzieren. Die Pfeile 19 und 20 geben diese Wirbelbewegung an.The piston 1 is equipped with two ribs 1 3 and 1 4 to set up the fresh gas flow and to form vortices during the injection. At the fresh gas inlet, the rib ensures that the air flow is straightened, as indicated by arrows 17 and 18 , in order to straighten the air in the work space for rapid distribution. When compressing, the same ribs, supported by the pinching effect of the piston, ensure an intensive swirl movement in the combustion chamber in order to reduce the ignition delay when injecting. The arrows 19 and 20 indicate this swirl movement.

Der elektrische Teil des Verbrennungsmotor-Elektrogenerator-Antriebs besteht aus den Ständerwicklungen 7 und 8, welche den durch die Schwenkbewegung der Kurzschlussanker 21 und 22 induzierten E-Strom über ihre Anschlüsse 7 1 und 8 1, gesteuert durch den Zentralrechner des Fahrzeugs an die Radantriebsmotoren, bzw. den nicht mit dargestellten Motor/Generator des gegebenenfalls verwendeten Schwungradspeichers zur Aufnahme von Verzögerungsenergie und Abgabe von Zusatzenergie beim Beschleunigen des Fahrzeugs abgeben.The electrical part of the internal combustion engine-electric generator drive consists of the stator windings 7 and 8 , which control the electric current induced by the pivoting movement of the short-circuit armatures 21 and 22 via their connections 7 1 and 8 1 , controlled by the central computer of the vehicle to the wheel drive motors, or deliver the motor / generator (not shown) of the flywheel storage that may be used to absorb deceleration energy and deliver additional energy when accelerating the vehicle.

Innerhalb der Ständerwicklungen schwingen die beiden Kurzschlussanker-Seg­ mente dadurch im Takt des Motorkolbens in entgegengesetzter Richtung, dass an den Breitseiten des Kolbens 1 die Verzahnungen 1 5 und 1 6 angebracht sind, in welche die Zylinderverzahnungen 23 1 und 24 1 der die Kurzschlussanker tragenden Schwenkhalter 23 und 24 der Kurzschlussanker 21 und 22 eingreifen. Die Schwenkhalter sind durch Wälzlager 23 2 und 24 2 auf an den Seitenteilen 5 und 6 befestigten Hülsen 23 3 und 24 3 gelagert. Schwenkhalter 23 und 24 mit Kurzschlussanker sind durch überwiegende Anwendung von Leichtmetall derart dimensioniert, dass ihre schwingenden Massen zusammen mit denen der Schwenkkolben 15 1 und 16 1 den Massenausgleich zum Graugusskolben des Motorteils bilden.Within the stator windings, the two short-circuit armature segments vibrate in time in the opposite direction to the engine piston in that the toothings 1 5 and 1 6 are attached to the broad sides of the piston 1 , into which the cylinder toothings 23 1 and 24 1 of the swivel holder carrying the short-circuit armature 23 and 24 of the short-circuit armatures 21 and 22 engage. The swivel holders are supported by roller bearings 23 2 and 24 2 on sleeves 23 3 and 24 3 fastened to the side parts 5 and 6 . Swivel brackets 23 and 24 with short-circuit anchors are dimensioned by predominantly using light metal in such a way that their vibrating masses together with those of the swivel pistons 15 1 and 16 1 form the mass balance with the gray cast iron piston of the engine part.

Claims (1)

Verbrennungsmotor-Elektrogenerator-Antrieb für Kraftfahrzeuge, mit linear frei schwingendem Motorkolben, dadurch gekennzeichnet, dass der im Querschnitt rechteckig ausgebildete Motorkolben (1) auf allen vier Seiten Verzahnungen (1 1, 1 2, 1 5, 1 6) aufweist, über die auf zwei gegenüberliegenden Seiten Schwingkolben (15 1, 16 1) für den Motor-Stoffwechsel und über die zwei weiteren gegenüberliegenden Seiten die Schwinganker (21, 22) des Generatorteils angetrieben werden.Internal combustion engine-electric generator drive for motor vehicles, with linear freely oscillating engine pistons, characterized in that the engine piston ( 1 ), which has a rectangular cross section, has toothings ( 1 1 , 1 2 , 1 5 , 1 6 ) on all four sides, via which two opposite sides of the oscillating piston ( 15 1 , 16 1 ) for the engine metabolism and the two further opposite sides of the oscillating armature ( 21 , 22 ) of the generator part are driven.
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