DE60132206T9

DE60132206T9 - Miniaturgenerator

Info

Publication number: DE60132206T9
Application number: DE60132206T
Authority: DE
Inventors: Kurt D. Rowley ANNEN; David B. Carlisle STICKLER; Paul L. Acton KEBABIAN
Original assignee: Aerodyne Research Inc
Current assignee: Aerodyne Research Inc
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2009-06-04
Also published as: EP1297607B1; US6349683B1; DE60132206D1; JP4917237B2; WO2002005407A2; JP2004502898A; ATE382977T1; DE60132206T2; WO2002005407A3; EP1297607A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Miniatur-Leistungsquellen und insbesondere Zweitakt-Miniatur-Verbrennungsmotoren, die mit elektrischen Lineargeneratoren kombiniert sind.
Hintergrundinformation
Es gibt zahlreiche Anwendungen (z. B. Werkzeuge, Spielzeug, Fahrräder, Freizeitgeräte, Mikroüberwachungsflugzeuge, Laptop-Computer und andere elektronische Ausrüstung), für die kleine leichte Leistungsquellen hoher Leistungsdichte und Energiekapazität erforderlich sind.
Derzeit stehen für solche Anwendungen Lösungen aus einer Vielfalt von Batterietechnologien zur Verfügung. Besonders für Computerspeicher werden z. B. Lithiumbatterien als langlebige Spannungsquellen verwendet. Nickel-Cadmium- und Nickelmetallbatterien werden für Elektrowerkzeuge verwendet. Andere elektrochemische Systeme werden in anderen Anwendungen eingesetzt. Sämtliche Batterien haben jedoch eine schlechte Leistungs- und Energiedichte (unter 300 Wattstunden pro Kilogramm). Diese Parameter schränken die Verwendung solcher Batterien ein, wenn Leistung und Gewicht wichtige Faktoren sind.
Brennstoffzellen sind weitere mögliche Kandidaten für solche Anwendungen, haben sich jedoch trotz viel versprechender Ansätze als technologisch schwierig für die Entwicklung in diesen Anwendungen erwiesen. Auch Miniatur-Gasturbinen und dgl. werden möglicherweise für Anwendungen mit Miniatur-Hochleistungsquellen entwickelt.
Ein weiterer Ansatz ist die Verringerung der Größe eines Standard-Zwei- oder -Viertaktmotors als Antrieb eines elektrischen Generators. Dieser Ansatz bringt jedoch eine Reihe Probleme mit sich. Eine solche Problemgruppe bei der direkten Verringerung der Größe solcher Motoren beinhaltet kleine Gestänge, Gelenkverbindungen, Ventile etc., die eine präzise spanende Bearbeitung und enge Toleranzen erfordern würden. Obwohl solche Motoren/Generatoren gebaut und betrieben worden sind, werden mit der Verringerung der Größe eines Standardmotors mit innerer Verbrennung die Mechanik teuer, die Leistungsdichte und Energiekapazität geringer und die Lebensdauer der mechanischen Gestänge kürzer (vor allem, wenn versucht wird, die Leistungsdichte durch höhere Spannungen und Lasten aufrechtzuerhalten). In Situationen, in denen Wellenleistung erforderlich ist, könnten diese Probleme zwar tolerierbar sein (z. B. bei Modellflugzeugen), für elektrische Leistung machen jedoch die Notwendigkeit eines getrennten Generators sowie die oben erörterten Probleme diese Vorgehensweise nicht erstrebenswert.
Eine M.I.T.-Dissertation mit dem Titel "Design and Construction of a Miniature Internal Combustion Engine", die im Juni 1996 von Matthew D. Greenman eingereicht wurde, beschreibt die Konstruktion eines Miniatur-Motorgenerators mit innerer Verbrennung.
Diese Dissertation beschreibt einen Ansatz für eine Konstruktion, mit der der hohe Energiegehalt von Kohlenwasserstoffbrennstoffen genutzt werden soll (im Bereich von 40.000 J/g), wobei zahlreiche bewegliche Teile, die in einem Standardmotor mit innerer Verbrennung üblicherweise vorhanden sind, entfallen. Der Motor ist ein Zweitakt-Kolbenmotor mit einer Zylinderbohrung und einem Hub von einigen wenigen Millimetern. Der Kolben ist an einer mechanischen Feder und einer Induktionsspule angebracht, die so positioniert ist, dass sie sich im Luftspalt eines Dauermagneten hin- und herbewegt. Elektrische Leistung wird von der Induktionsspule an die externe Last geliefert. Der Motor arbeitet bei oder nahe der Resonanzfrequenz des aktiven Feder-Masse-Systems (aktive Masse = Massen der Feder + Abstandshalter + Kolben + Kolbenstange + Federabschnitt). Wie oben erwähnt gibt es keine Ventile oder mechanische Gelenkverbindungen. Die Konstruktion bietet einen Ansatz für zahlreiche Möglichkeiten, prüft aber praktische Lösungen nicht vollständig.
Ein mit Komplikationen und Mühe verbundener Punkt der Konstruktion dieser Dissertation ist die Doppelspiralfeder aus geformtem Draht, deren Enden dann mit getrennten Endstücken verlötet oder verschweißt werden. Diese Federkonstruktion ist mit Toleranzproblemen behaftet und schränkt in der praktischen Ausführung eine Querbewegung nicht hinreichend ein. Außerdem besteht die praktische Schwierigkeit, die Endstücke zu befestigen, während eine perfekte Symmetrie der beiden Spiralen aufrechterhalten wird.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an einem Miniatur-Motorgenerator hoher Leistungsdichte und Energiekapazität, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen bereitzustellen.
Weiterhin besteht die Notwendigkeit, die Anzahl der Teile zu verringern, die mechanischen Parameter besser zu kontrollieren und die Anzahl der Zusammenbauschritte bei der Herstellung eines Miniatur-Motorgenerators zu senken, und es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dies bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die oben angegebenen Aufgaben sowie weitere und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gelöst bzw. erzielt.
Ein Miniaturgenerator für einen Motor mit innerer Verbrennung gemäß der Erfindung weist einen Zylinderkopf, einen Einlasskanal für ein Kraftstoff-Luftgemisch, einen Auslasskanal und eine axiale Rille in der Zylinderwand, die einen Überströmschlitz bereitstellt, damit der Motor im Zweitaktmodus laufen kann, auf. Ein Kolben ist so ausgeführt und angeordnet, dass er sich im Zylinder auf- und ab bewegt, und eine Kolbenstange erstreckt sich axial vom Kolben weg. Bei einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Motorbetrieb im Viertaktmodus stattfinden.
Eine Feder, die aus einem Metallstück vorzugsweise Titan oder einer Legierung davon vorzugsweise spanend bearbeitet ist, ist als Doppelhelix ausgebildet. Eine Dreifachhelix oder darüber kann jedoch vorteilhaft verwendet werden. Ein Ende der Feder ist bezüglich des Zylinderkopfes fest, und die Kolbenstange ist am anderen Ende der Feder angebracht.
Am Ende der Feder und/oder der Kolbenstange ist eine elektrische Induktionsspule distal vom Kolben angebracht und so angeordnet, dass sich die Spule im Luftspalt eines Dauermagneten dem Kolben folgend auf und ab bewegt, wenn der Motor arbeitet. Alternativ kann die Spule stationär sein und der Magnet bewegt werden.
Ein Gehäuse ist am Zylinderkopf angebracht und erstreckt sich über die Feder, die Spule und den Dauermagneten. Das Gehäuse kann bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Verlängerung der Zylinderkopfbaugruppe sein. Die Enden des elektrischen Leiterdrahtes der Spule sind an Anschlüssen bereitgestellt, wo eine Last angebracht und elektrische Leistung abgenommen werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht ein elektrischer Leiter von der Spule in elektrischer Verbindung mit der Spiralfeder und dem Gehäuse, an dem der Anschluss angebracht sein kann. Der andere Leiter ist gegenüber der Feder und dem Gehäuse isoliert und über eine schwache Feder an einem isolierten Anschluss angeordnet. Die schwache Feder gestattet die Bewegung des Leiters, ohne dass im Leiter oder in der Feder Ermüdungsprobleme auftreten und stellt eine minimale mechanische Last für das System dar. Die elektrische Last ist zwischen den Anschlüssen angebracht. Die Feder ist aus einem einzigen Materialstück geformt oder hergestellt, vorzugsweise Titan oder eine Legierung davon und hat integrale Endfittings. Die Endfittings bilden den Mechanismus, mit dem die Feder am Zylinderkopf, der Verlängerung und/oder dem Gehäuse befestigt ist. Das Endfitting ist vorzugsweise eine Schulter oder eine Schraubverbindung an der Feder, und am Gehäuse oder am Zylinder ist ein passender Vorsprung oder eine passende Schraubverbindung vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Passvorsprung in der Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Zylinder eingebaut, und eine externe Klemme dient zum sicheren Verbinden der Feder, des Gehäuses und des Zylinderkopfes miteinander. Es sind jedoch andere Mittel zum Befestigen der Feder am Gehäuse bzw. am Zylinderkopf bekannt, die bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft verwendet werden können.
Bei einer Ausführungsform kann die Feder am Zylinderkopf angebracht sein, wobei die Kolbenstange am entfernt liegenden Ende der Feder angebracht ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Feder jedoch am Gehäuse distal vom Zylinderkopf befestigt, und die Kolbenstange ist am nahe liegenden Ende der Feder angebracht. Bei dieser zweiten Ausführungsform ist die Kolbenstange weiter durch die Mitte der Feder geführt, um an der Induktionsspule befestigt werden zu können und diese dadurch axial zu bewegen.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen können die elektrische Generatorspule und der Magnet zwischen dem Kolben und der Spiralfeder positioniert sein.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen und die ausführlichen Beschreibungen verwiesen und ihr Gültigkeitsbereich ist in den beigefügten Ansprüchen angegeben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A bis 1D sind Diagramme von Zylinderkopf/Kolben eines generellen Zweitaktmotors mit innerer Verbrennung;
2 ist eine Teilschnittansicht einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3 ist eine Schnittansicht des Zylinders;
4 ist eine Ansicht des Kolbens und der Kolbenstange;
5 ist eine Seitenansicht der Buchse und des Einsatzes;
6 ist eine Seitenansicht der Spiralfeder;
7A ist eine Schnittansicht des Dauermagneten und der Spule;
7B ist eine Draufsicht des Magneteinsatzes;
8 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
9 ist ein Diagramm einer Ausführungsform, bei der eine Kurzschlussspule verwendet wird;
10 ist ein Diagramm eines Kraftstoffzuführsystems;
11A und 11B sind Schnittansichten alternativer Ausführungsformen; und
12A und 12B sind Schnittansichten, die Einzelheiten des Einlasses zeigen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1A zeigt den Zylinderkopf 2 eines Zweitaktmotors, wobei sich der Kolben 4 auf seinem Hubweg oben befindet. Eine Zündkerze 6 stellt die Zündquelle bereit. Wenn sich der Kolben bei seinem Hub nach oben bewegt, wird ein Kraftstoffdampf-/Luftgemisch 8 über einen Einlasskanal 12 in die untere Kammer 10 angesaugt. 1B zeigt den Kolben unmittelbar nach der Zündung bei dem Hub, mit dem Leistung an die am Kolben ange brachte Stange 18 übertragen wird. Die Verbrennungsprodukte 14 werden über einen Auslasskanal 16 ausgestoßen, und der Kolben schließt den Einlasskanal und presst den Kraftstoff 20 in der unteren Kammer in den Überströmschlitz 22. 1C zeigt den Kraftstoff im Überströmschlitz 22, der in 24 in der oberen Zylinderkammer 26 mündet.
Nunmehr sei auf 1D verwiesen, wonach der Kraftstoff bereit zur Zündung in der oberen Kammer komprimiert ist, wobei der Auslasskanal und die Überströmschlitze gegenüber der oberen Kammer verschlossen sind. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Zündung nur durch Kompression ohne Zündquelle erfolgen und bei einer weiteren Ausführungsform kann der Motor ein Viertakttyp sein.
2 ist eine Schnittansicht eines ausgeführten Beispiels der vorliegenden Erfindung. Der obere Abschnitt 2 zeigt den Zylinderkopf, der mit allgemeinen Begriffen für die 1A bis 1D beschrieben worden ist. Es sind einander gegenüberliegende Auslasskanäle 16, Einlasskanäle 12 und Überströmschlitze vorgesehen. Der Überströmschlitz 22 ist hinter dem Kolben bzw. der Stange und der gegenüberliegende Überströmschlitz ist in dem Teil der Zylinderwand vorgesehen, der durch die Schnittzeichnung nicht sichtbar ist. Der Zylinderkopf 2 ist durch eine geteilte Ringschelle 32 sicher an einem Gehäuse 30 befestigt. Das Gehäuse kann jedoch auch eine Verlängerung der Zylinderkopfbaugruppe sein, bei der keine Schellensicherung erforderlich wäre. Die Stange 18, die sich axial vom Kolben 4 aus erstreckt, wird in einer Buchse 34 geführt, die sicher am Zylinderkopf/Gehäuse und der Federbaugruppe angebracht ist. Die Buchse besteht aus Aluminium und hat vorzugsweise einen Einsatz (nicht dargestellt) aus VESPEL^® (Warenzeichen von DuPont), Polyimid oder einem anderen ähnlichen im Stand der Technik bekannten Lagermaterial.
Eine einstückige Feder 36 ist bei dieser Ausführungsform eine spanend bearbeitete Feder mit einem integralen Endfitting 38, die die Buchse und Stange umgibt. Die Feder ist mindestens eine Doppelhelix und ist an der Stelle am Gehäuse angebracht und gesichert dargestellt, wo das Gehäuse und der Zylinderkopf an der geteilten Ringschelle 32 zusammentreffen.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Oberfläche 33, wo das Gehäuse 30 und der Zylinderkopf 2 zusammentreffen, mit einem Gewinde versehen sein, wodurch die geteilte Ringschelle 32 überflüssig wird. Diese Oberfläche 33 kann auch eine Aus richtoberfläche sein, um die axiale Ausrichtung des Kolbens/der Stange und der Feder 36 sicherzustellen.
Eine Drehstromgeneratorspule 40 einer bevorzugten Ausführungsform ist über einen oder mehrere Abstandshalter 19 am entfernt liegenden Ende der Feder 36 angebracht und erstreckt sich axial in den Luftspalt eines fest stehenden Magneten 42. Alternativ könnte eine Spule mit größerer Länge direkt an der Feder angebracht sein. Die Funktionsweise ist dabei so, dass dann, wenn sich der Kolben auf und ab bewegt, die Spule folgt und dabei die magnetischen Feldlinien im Luftspalt unterbricht, wodurch elektrische Energie durch die mechanische Bewegung erzeugt wird.
Der Leiter 44 von der Spule ist gegenüber anderen leitfähigen Materialien in der Baugruppe isoliert und wird aus dem Boden der Baugruppe durch ein Führungsrohr 46 herausgeführt. Am Boden ist der Leiter elektrisch und mechanisch an einer schwachen Feder 48 angebracht, die ebenfalls gegenüber dem Gehäuse etc. isoliert ist. Der andere Leiter von der Spule ist elektrisch an der metallischen Feder und damit am Gehäuse und den anderen leitfähigen Abschnitten der Baugruppe angeschlossen. Die schwache Feder ist außerdem mit einem Anschluss 50 verbunden, der mechanisch am Gehäuse etc. angebracht, aber elektrisch davon isoliert ist. Die Lastanschlüsse sind so mit diesem Anschluss ausgeführt, dass die elektrische Rückführung der Last, die mit dem Gehäuse oder einem anderen gemeinsamen Anschluss (nicht dargestellt) verbunden ist, in elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse und der Feder steht. Natürlich können andere Anordnungen zum Herausführen der elektrischen Leiter aus der sich bewegenden Spule vorgesehen werden, einschließlich im Stand der Technik bekannte Gleitanschlüsse. Alternativ kann einer oder können beide Spulenleiter an einem oder beiden Armen der Spiralen angebracht werden. Die Leiter sind entlang ihrer gesamten Länge mittels eines flexiblen Klebers befestigt. Da der Drahtdurchmesser wesentlich kleiner ist als der Querschnitt der Spiralen, sind Draht und Kleber äußerst nachgiebig und haben deshalb einen minimalen Einfluss auf die Federbewegung. Diese Anordnung ist deshalb vorteilhaft, da sie die Notwendigkeit eines Führungsrohrs und einer schwachen Feder aufhebt und die Gefahr der Drahtermüdung verringert. Ein solcher Kleber ist im Stand der Technik bekannt.
3 ist eine Seitenansicht im Schnitt des Zylinders und zeigt die einander gegenüberliegenden Einlasskanäle 12 und Auslasskanäle 16 sowie einen der einander gegenüberliegenden Überströmschlitze 22. Das bevorzugte Material ist nicht rostender Stahl.
4 ist eine Seitenansicht des Kolbens und der sich axial erstreckenden Stange, die beide vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl bestehen. Die Stangenenden haben einen Gewindeabschnitt 50, mit dem die Stange mit der Feder verschraubt werden kann, wobei diese Verbindung auch durch andere bekannte Arten hergestellt werden kann.
5 ist eine Seitenansicht der Lagerbuchse 34 mit einer Bohrung für den Buchseneinsatz an der Oberseite 60, bei der der Boden 62 so ausgeführt ist, dass er die Einsätze 64 und 66 aufnimmt. Die Buchse besteht vorzugsweise aus Aluminium und die Einsätze aus VESPEL^®.
6 ist eine Seitenansicht der spanend bearbeiteten Doppelhelixfeder. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser 70 des Hauptabschnitts der Feder ca. 1,1 cm und der der Schulter ca. 1,2 cm. Die Gesamtlänge der Feder einschließlich der Schulter 76 am oberen Ende und des unteren Endes 78 beträgt ca. 1,8 cm. Die Doppelhelix zeigt die entgegengerichteten Spiralen 80 und 82. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Steigung jeder Spirale ca. 0,6 cm. Das Endstück 78 ist mit einer Gewindeöffnung 84 versehen, die das Gewindeende der Stange aufnimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder aus einem Stück einer Titanlegierung spanend hergestellt, aber sie kann auch einstückig durch andere Verfahren geformt sein.
Die Formung als ein oder in einem Stück hat den Vorteil, dass die Abmessungen und die Form im Vergleich zum Biegen eines Drahtes präzise kontrolliert werden können. Außerdem kann die Querschnittsform eines Spulensegments quadratisch sein oder eine andere Form haben, die in vorteilhafter Weise einer Querbewegung widersteht und so die Ausrichtung besser beibehält. Des Weiteren können die Abmessungen der Feder so kontrolliert werden, dass die die Feder definierenden mechanischen Parameter gut einstellbar sind. Zu diesen Parametern zählen u. a. die Federkonstante, die Steifigkeit, die Oszillationsfrequenz, die Masse, Q (das Verhältnis zwischen gespeicherter Energie und Energieverlust), Spannungen etc.
Die Ausrichtung ist ein kritischer Faktor, wenn die Stange starr ist und starr am Kolben angebracht ist, weil: 1) die Stange am Kolben befestigt ist und jede Querbewegung der Stange eine Fehlausrichtung des Kolbens im Zylinder bewirkt, wodurch Reibung und übermäßiger Verschleiß verursacht werden; und 2) das Spiel zwischen der Spule und dem Magneten sehr klein ist und eine Querbewegung zu Kontakt führt, wodurch Reibung sowie mögliche Beschädigung verursacht werden. Alternativ kann die Stange etwas flexibel ausgeführt oder mit dem Kolben unter Verwendung eines flexiblen und/oder leicht verschieblichen Gelenks verbunden sein.
Unterhalb der Feder befindet sich eine Dauermagnetbaugruppe 42, die mittels einer geteilten Ringschelle 32' am Gehäuseboden befestigt ist. Diese Baugruppe ist in 7A dargestellt und besteht aus drei Hauptteilen; ein äußerer Pol ist im Querschnitt dargestellt. Die Einkerbungen 92 dienen zur Befestigung des äußeren Pols am Gehäuse. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Magnetpol aus zwei miteinander verbunden Teilen bestehen. Das magnetische Material ist vorzugsweise HIPERCO^® 50A und das Material für den Magneten 96 Samarium-Kobalt oder wahlweise Neodym-Eisen-Bor.
Der Magnet 96 von 7A ist aus der Draufsicht von 7B dargestellt und mit Teilungen 97 segmentiert, die es gestatten, dass das Magnetfeld zum Mittelpunkt orientiert ist und deshalb durch den Luftspalt 98 in 7A verläuft. Es ist zwar ein einstückiger Magnet mit einem rein radialen Feld wünschenswert, der allerdings bei diesen Größenordnungen schwer herzustellen ist; ein segmentierter Magnet ist eine günstige Lösungsmöglichkeit, um ein annähernd radiales Feld zu erhalten.
Nunmehr sei erneut auf 7A verwiesen, wonach die Spulenlänge 110 gleich der Höhe des Luftspalts 98 ausgeführt ist. Dies hat sich als sinnvoller Kompromiss zwischen dem Gewicht der Spule und der Energieerzeugung erwiesen, wobei der Energieverlust in der Spule verringert wird. Wenn die Spule gleich ist der Höhe des Luftspalts des Magneten, wird ein Mittel zur Positionierung der Spule relativ zum Magneten bereitgestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gestattet ein Abstandshalter 19 (1 und 7A) die Positionierung der Spule vom Boden der Feder 36 wie gewünscht, um Raum für die Wechselwirkung zwischen Spule und Luftspalt bereitzustellen. Die Abstandshalter können am Boden der Feder verschraubt, verklebt oder durch andere bekannte Verfahren angebracht werden.
Bei einer anderen in 8 dargestellten Ausführungsform ersetzt eine Kurzschlussring-Induktionsspule 120 die bewegliche Spule und eine stationäre Induktionsspule 122 ist unter dem Magneten 96 angeordnet. Die bewegliche Kurzschlussringspule hat keine externen Leiter, so dass die Notwendigkeit entfällt, Ausgangsleiter von der beweglichen Spule vorzusehen. Die Spannung wird an die stationäre Spule über die transformatorartige Wirkung der Kurzschlussspule, die sich im Luftspalt des Magneten bewegt und Energie in duktiv an die stationäre Spule überträgt, übertragen. Leiter 124 von der stationären Spule bewegen sich nicht und werden zu Anschlüssen zur Verbindung mit einer Last herausgeführt.
Die Magnetspulenbaugruppe ist mit Entlüftungslöchern 126 ausgeführt, um die Wärme in der Baugruppe zu verringern. Im beweglichen Kurzschlussring können ebenfalls Entlüftungslöcher 128 vorgesehen sein.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Dauermagnet 150 mit Abstandshaltern 19 am beweglichen Ende der Feder befestigt ist. Eine Induktionsspule 122 ist im Gehäuse befestigt und definiert einen Luftspalt 154, in dem sich der Magnet bei laufendem Motor bewegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet das Motor-Generatorsystem bei ca. 800 Hz; das Verhältnis Hub zu Bohrung beträgt etwa eins und es wird kein Schmieröl verwendet. Stattdessen wird ein Trockenschmiermittelfilm wie TiN verwendet.
Für einen praktisch einsetzbaren Motorgenerator sind Kraftstoffspeicherung und -steuerung erforderlich. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung eine Laufzeit von etwa einer Stunde bereit. Propan und Dimethylether oder ähnliche Flüssigkeiten mit ausreichenden Dampfdrücken zur Bereitstellung gasförmiger Dämpfe sind bevorzugte Kraftstoffe. Solche Gase mischen sich gut mit Luft und eignen sich für einen weiten Bereich von Umgebungsbedingungen, wobei die Kraftstoffzufuhr ohne Notwendigkeit komplexer Steuerungsmaßnahmen sichergestellt ist. Außerdem lassen sie sich im flüssigen Zustand speichern.
Ein praktisches Kraftstoffzuführsystem ist in 10 dargestellt. Es weist ein Durchsatzsteuerventil, einen Drucksensor, einen Luftspeicher und eine Kraftstoffspeicherkammer auf. Die Kombination aus Ventil, Drucksensor und Luftspeicher wirkt als Druckregler über einen weiten Bereich von Kraftstoffzuführraten. Der Luftspeicher 130 wird während des Motorbetriebs auf einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten, wodurch ein konstanter Dampffluss 132 zum Motoreinlass geliefert wird. Die Funktionsweise ist wie folgt: wenn der Druckgeber 138 einen niedrigeren Druck erfasst, sendet er einen Spannungsimpuls an das Magnetventil 140, das den Gleithammer 142 gegen die Rückholfeder 144 treibt, was dazu führt, dass sich der Ventilschaft 146 von der Öffnung 150 weg in den Luftspeicher bewegt. Kraftstoff fließt in den Luftspeicher. Wenn der Spannungsim puls an das Magnetventil endet, treiben die Rückholfeder, die Pufferfeder und der Kraftstoffdruck gemeinsam den Ventilschaft zurück, so dass die Öffnung geschlossen wird. Das Ergebnis ist eine Kraftstoffladung in den Luftspeicher. Die Auslegung des Systems sorgt für einen im Wesentlichen konstanten Kraftstoffdruck im Luftspeicher, um den Motor zuverlässig mit Kraftstoff zu versorgen. Andere Kraftstoffzuführmittel sind im Stand der Technik bekannt, insbesondere solche, die bei Motoren von Modellflugzeugen verwendet werden.
Das Anlassen des Motors kann durch Treiben von Strom in die Leiter des Drehstromgenerators bewirkt werden, wodurch der Generator als elektrischer Linearmotor arbeitet. Alternativ kann der Motor durch Anlassen über ein mechanisches Gestänge, das die Stange oder das freie Ende der Feder antreibt, gestartet werden. Spannung wird vor dem Starten an die Zündkerze geliefert und nach Erreichen der Betriebstemperatur des Motors wieder abgeschaltet.
Die 11A, 11B, 12A und 12B zeigen alternative Ausführungsformen, bei denen der Generator zwischen dem Zylinderkopf 2 und der Doppelhelixfeder 36 positioniert ist. In 11A ist die Drehstromgeneratorspule 40 an der Helixfeder 36 angebracht und in 11B an der Stange 18. Die 12A und 12B sind eine Variation von 11A, mit der Ausnahme, dass die Lagerbuchse 34 (zur Verdeutlichung dargestellt) entfällt und der Lufteinlass 161 mit Reed-Ventilen 162 an einer Scheibe am freien Ende der Helixfeder 36 angeordnet ist.

Claims

Generator für Miniaturmotoren, aufweisend: einen Zylinderkopf (2), einen die axiale und radiale Richtung definierenden Zylinder, wobei der Zylinderkopf (2) ein Verdichtungsende und ein offenes Ende hat und der Zylinderkopf (2) Einlass- (12) und Auslassöffnungen (16) hat, eine Verlängerung (30) des Zylinderkopfes (2), die sich axial vom offenen Ende aus erstreckt und mit einem auf der Verlängerung angeordneten mechanischen Fitting ausgeführt ist, ein Mittel (12) zum Einleiten von Kraftstoff und Luft (8), ein Mittel (16) zum Entfernen des Abgases und ein Mittel zum Zünden des Brennstoffs (6), eine Feder (36) mit aus einem Stück gebildeten Endfittings, wobei ein Endfitting (38) mit dem mechanischen Fitting gepaart ist, wodurch eine integrale Baugruppe aus Zylinderkopf, Verlängerung und Feder gebildet wird, einen Kolben (4), der so ausgeführt und angeordnet ist, dass er sich im Zylinder auf- und ab bewegt, eine Kolbenstange (18), deren proximales Ende am Kolben (4) befestigt ist und sich axial in Richtung des offenen Endes erstreckt, wobei das distale Ende der Kolbenstange (18) am anderen Endfitting der Feder befestigt ist und ein Dauermagnet (42) an der Verlängerung so befestigt ist, dass der Dauermagnet (42) einen Spalt definiert, eine an der Feder (36) befestigte Spule (40), die so angeordnet ist, dass sie sich innerhalb des Spalts bewegt, Mittel zur Herstellung elektrischer Verbindungen (44) mit der Spule (40), wobei bei Betrieb des Motors elektrische Energie von den elektrischen Verbindungen (44) bereitgestellt wird.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem die Feder (36) eine Doppelhelix und die Verlängerung ein Gehäuse (30) ist, das am Zylinderkopf (2) befestigt ist.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem die Feder (36) mindestens eine Dreifachhelix ist.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem die aktive Masse und die Feder eine Resonanzfrequenz definieren und der Motorgenerator bei im Wesentlichen der Resonanzfrequenz arbeitet.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zum Zünden eine Zündkerze (6) aufweist.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem die Feder (36) aus Titan und der Dauermagnet (42) aus Samarium-Kobalt besteht.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das mechanische Fitting eine neben dem Zylinderkopf ausgebildete Schulter und die Zylinderstange am vom Zylinderkopf fernen Federende befestigt ist.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das mechanische Fitting am vom Zylinderkopf distalen Federende ausgebildet und die Kolbenstange am Federende neben dem Zylinderkopf befestigt ist.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das mechanische Fitting und das Endfitting eine Gewindeverbindung aufweisen.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das mechanische Fitting und das Endfitting eine Aufspannoberfläche und ferner eine Klemme aufweisen, um die Feder an der Zylinderkopfbaugruppe zu sichern.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem der Dauermagnet als segmentierte Doppelringanordnung konstruiert ist, wobei sich der Spalt zwischen den kreisförmigen Ringen befindet.
Motorgenerator nach Anspruch 1, bei dem das Mittel zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit der Spule leitfähige Leiter aufweist und bei dem der Motorgenerator ferner einen flexiblen Kleber aufweist, der mindestens einen der elektrischen Leiter an der Feder befestigt.
Motorgenerator nach Anspruch 12, bei dem das Mittel zur Herstellung von Verbindungen mit der Spule das Anbringen zweier elektrischer Leiter von der Spule so aufweist, dass ein jeder mit dem flexiblen Kleber entlang einem Arm der Schraubenfeder verläuft, wobei die elektrischen Leiter am stationären Ende der Schraubenfeder herausgeführt sind.
Generator für Miniaturmotoren, aufweisend: einen Zylinderkopf (2), einen die axiale und radiale Richtung definierenden Zylinder, wobei der Zylinderkopf (2) ein Verdichtungsende und ein offenes Ende und der Zylinderkopf (2) Einlass- und Auslassöffnungen hat, ein Mittel (12) zum Einleiten von Kraftstoff und Luft (8), ein Mittel (16) zum Entfernen des Abgases und ein Mittel zum Zünden des Brennstoffs (6), ein sich vom offenen Ende des Zylinderkopfes (2) aus axial erstreckendes Gehäuse, wobei das Gehäuse sicher am Zylinderkopf (2) befestigt ist, und wobei die Gehäuse-/Zylinderkopfkombination mit einem mechanischen Fitting ausgeführt ist, eine Feder (36) mit aus einem Stück gebildeten Endfittings, wobei ein erstes Endfitting (38) mit dem mechanischen Fitting gepaart ist, wodurch eine integrale Baugruppe aus Zylinderkopf, Gehäuse und Feder gebildet wird, und das zweite Endfitting mit der Kolbenstange (18) verbunden ist, einen Kolben (4), der so ausgeführt und angeordnet ist, dass er sich im Zylinder auf- und ab bewegt, eine Kolbenstange (18), deren proximales Ende am Kolben (4) befestigt ist und die sich axial in Richtung des offenen Endes erstreckt, wobei das distale Ende der Kolbenstange (18) an einem Federende befestigt ist, eine am Gehäuse befestigte Induktionsspule, wobei die Induktionsspule einen Spalt definiert, einen an der Feder (36) befestigten Dauermagneten, der so angeordnet ist, dass er sich innerhalb des Spalts bewegt, Mittel zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit der Spule, wobei bei Betrieb des Motors elektrische Energie von den elektrischen Verbindungen bereitgestellt wird.