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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennkraftmaschinen. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Abziehen von Energie von einer Verbrennung in einer Brennkraftmaschine.
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2. Verwandte Technik
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Primärenergiequellen,
die Brennstoff direkt in nutzbare Energie umwandeln, wurden über viele Jahre
bei einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich Kraftfahrzeugen, Stromgeneratoren,
hydraulischen Pumpen etc. verwendet. Das vielleicht bekannteste
Beispiel für
eine Primärenergiequelle
ist die Brennkraftmaschine, welche fossilen Brennstoff in Rotationsenergie
umwandelt. Brennkraftmaschinen werden bei fast allen motorisierten
Fahrzeugen und vielen anderen energetisch autonomen Einrichtungen
wie beispielsweise Rasenmähern,
Kettensägen
und Notstromaggregaten verwendet. Die Umwandlung fossiler Brennstoffe
in verwertbare Energie wird ferner in großen Elektrizitätswerken
durchgeführt,
welche elektrische Energie Energieversorgungsnetzen zuführen, auf
welche von tausenden individueller Nutzer zugegriffen wird. Während Primärenergiequellen
erfolgreich beim Ausführen
dieser Funktionen verwendet worden sind, wurden sie bei vielen Anwendungen
nicht erfolgreich unabhängig verwendet,
und zwar aufgrund ihrer relativ langsamen Ansprechcharakteristika.
Diese Beschränkung ist
insbesondere problematisch beim Antreiben von Robotereinrichtungen
und ähnlichen
Systemen, welche eine Feedback-Schleife verwenden, welche Echtzeitregelungen
der Bewegungen der mechanischen Struktur vornimmt. Üblicherweise
muß die
Energiequelle bei einem solchen System in der Lage sein, eine Ausgangsleistung
zu erzeugen, welche, wenn notwendig, eine schnelle Anwendung von
korrektiven Signalen auf die Ausgangsleistung erlaubt, um den einwandfreien
Betrieb der mechanischen Einrichtung aufrechtzuerhalten.
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Die
Ansprechgeschwindigkeit einer Energiequelle in einem mechanischen
Systems, gelegentlich als Bandbreite bezeichnet, ist ein Hinweis
darauf, wie schnell die von der Quelle erzeugte Energie von einer Anwendung
abgerufen werden kann. Ein Beispiel eines schnell ansprechenden
Energiesystems ist ein hydraulisches Energiesystem. Bei einem hydraulischen
System kann Energie von einer beliebigen Anzahl von Quellen verwendet
werden, um ein Hydraulikfluid unter Druck zu setzen und das unter
Druck gesetzte Fluid in einem hydraulischen Druckspeicher zu speichern.
Die in dem unter Druck gesetzten Fluid enthaltene Energie kann beinahe
augenblicklich abgerufen werden, indem ein Ventil in dem System
geöffnet
und das Fluid zum Ausführen
von Arbeit freigesetzt wird, beispielsweise zum Ausfahren oder Einziehen
eines hydraulischen Aktuators. Die Ansprechzeit bei dieser Art von
Hydrauliksystem ist sehr schnell, und zwar in der Größenordnung
von wenigen Millisekunden oder weniger.
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Ein
Beispiel eines Energiebereitstellungssystems mit relativ langsamer
Ansprechzeit ist eine Brennkraftmaschine. Das Gaspedal eines mit
einer Brennkraftmaschine ausgerüsteten
Fahrzeuges steuert die Rotationsgeschwindigkeit des Motors, gemessen
in Umdrehungen pro Minute ("UpM"). wenn Energie benötigt wird,
wird das Gaspedal betätigt
und der Motor erhöht
seine Rotationsgeschwindigkeit entsprechend. Jedoch kann der Motor
die gewünschte
Veränderung
nicht sehr schnell erreichen, und zwar aufgrund von Trägheitskräften in
dem Motor und der Natur des Verbrennungsprozesses. Wenn die maximale
Drehleistung eines Motors 7000 UpM beträgt, dann ist die Zeit, die
der Motor benötigt,
um von 0 auf 7000 UpM zu gelangen, ein Maß für die Ansprechzeit des Motors,
welche einige Sekunden oder mehr betragen kann. Wenn es ferner versucht
wird, den Motor wiederholt in einem schnellen Zyklus von 0 auf 7000
UpM und zurück
auf 0 UpM zu betreiben, nimmt die Ansprechzeit des Motors noch weiter
ab, wenn der Motor versucht, auf das zyklische Signal anzusprechen.
Im Gegensatz dazu kann ein hydraulischer Zylinder innerhalb von
Millisekunden oder weniger betätigt
werden, und kann in einem schnellen Zyklus betrieben werden, ohne
seine schnelle Ansprechzeit zu beeinträchtigen.
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Aus
diesem Grunde erfordern es viele Anwendungen, die einen Mechanismus
mit langsamer Ansprechzeit verwenden, daß die von einer Primärenergiequelle
erzeugte Energie in einem anderen Energiesystem mit schnellerer
Ansprechzeit gespeichert wird, welches die Energie auf Vorrat hält, so daß auf die
Energie augenblicklich zugegriffen werden kann. Ein Beispiel einer
solchen Anwendung ist schwere Ausrüstung zur Erdbewegung, wie
beispielsweise Tieflöffelbagger
und Frontlader, welche das oben beschriebene hydraulische Drucksystem verwenden.
Schwere Ausrüstung
wird üblicherweise von
einer Brennkraftmaschine, üblicherweise
einem Dieselmotor, angetrieben, welcher ausreichend Energie für den Betrieb
der Ausrüstung
bereitstellt, aber nicht in der Lage ist, den Energieansprecherfordernissen
der verschiedenen Komponenten zu erfüllen. Indem die Energie von
der Brennkraftmaschine in dem hydraulischen System gespeichert und
verstärkt wird,
ist die schwere Ausrüstung
in der Lage, eine große
Kraft mit einer sehr genauer Steuerung zu liefern. Jedoch hat diese
Vielseitigkeit ihren Preis. Damit ein System energetisch autonom
sein kann und einer präzisen
Steuerung zugänglich
ist, müssen dem
System mehr Komponenten hinzugefügt
werden, was das Gewicht und die Kosten des Betriebs des Systems
erhöht.
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Ein
weiteres Beispiel für
eine Energiequelle mit einer schnellen Ansprechzeit ist ein Stromversorgungsnetz
oder eine elektrische Speichereinrichtung wie beispielsweise eine
Batterie. Auf die in dem Stromversorgungsnetz oder der Batterie
vorhandene Energie kann so schnell zugegriffen werden, wie ein Schalter
geöffnet
oder geschlossen werden kann. Eine Unzahl von Motoren und anderen
Anwendungen zum Verwenden derartiger elektrischer Energiequellen
ist entwickelt worden. Stationäre
Anwendungen, die an das Energieversorgungsnetz angeschlossen werden
können,
können
die elektrische Energiezufuhr von der erzeugenden Quelle direkt verwenden.
Um jedoch elektrische Energie bei einem System zu verwenden, ohne
das System an das Energieversorgungsnetz anzuschließen, muß das System
zur Ver wendung von Energiespeichereinrichtungen wie beispielsweise
Batterien ausgebildet sein, welche sehr groß und schwer sein können. Da
moderne Technologie die Miniaturisierung von Einrichtungen betreibt,
ist das zusätzliche
Gewicht und das zusätzlich
Volumen der Energiequelle und deren begleitende Konversionshardware
eine bedeutende Hürden
gegen einen bedeutsamen Fortschritt.
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Die
einer Verwendung einer Primärenergiequelle
zum Antreiben einer Quelle mit schneller Ansprechzeit inhärenten Komplikationen
werden bei Anwendungen wie beispielsweise Robotern zunehmend problematisch.
Damit ein Roboter menschliche Bewegungen genau nachahmen kann, muß der Roboter
in der Lage sein, präzise,
gesteuerte und rechtszeitige Bewegungen auszuführen. Dieser Steuerungsgrad
erfordert ein System mit schneller Ansprechzeit, wie beispielsweise
das oben beschriebene hydraulische oder elektrische System. Da diese Systeme
mit schneller Ansprechzeit Energie von einer Primärenergiequelle
benötigen,
muß der
Roboter entweder Teil eines größeren Systems
sein, welches dem System mit schneller Ansprechzeit Energie zuführt, oder
der Roboter muß direkt
mit schweren Primärenergiequellen
oder elektrischen Speichereinrichtungen ausgerüstet sein. Idealerweise sollten
Roboter und andere Anwendungen jedoch ein minimales Gewicht aufweisen
und sollten energetisch autonom sein, und nicht mit hydraulischen
oder elektrischen Zuführungsleitungen
an eine Energiequelle angeschlossen sein. Bis zum heutigen Tage
jedoch hat sich die Technologie bemüht, diese Kombination von schneller
Ansprechzeit, minimalem Gewicht, effektiver Steuerung und Autonomie
des Betriebes zu realisieren.
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Das
U.S.-Patent Nr. 5,109,810 beschreibt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine,
die zwei entgegengesetzte Kolben aufweist, die sich in einem Zylinder
hin- und herbewegen, wobei zwischen diese eine Luft-Brennstoff-Mischung
eingespritzt und gezündet wird.
Einer der Kolben, ein Kompressionskolben, ist mit einem drehbaren
Schwungrad zum Speichern von Energie von der Hin- und Herbewegung des Kompressionskolbens
während
des adiabaten Expansionshubs verbunden. Der andere Kolben, ein Arbeitskol ben,
ist mit einem Pumpkolben verbunden, welcher in einer Hydraulikpumpe
arbeitet, um ein hydrostatisches Fluid bei einem konstanten Reaktionsdruck,
jedoch bei variablem Hub, zu halten. Jedoch sind die Kolben in einer üblichen
Zylinderkammer enthalten, wodurch der Arbeitskolben der Verbrennungsreaktion
ausgesetzt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Abziehen eines Teils von Energie, die während einer Verbrennung in
einer Brennkraftmaschine erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung
ist gerichtet auf das Abziehen eines Teils von Energie während einer
optimalen Zeitspanne der Verbrennung, und auf das Bereitstellen
von besseren Bandbreitecharakteristik für den Motor.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
eine Kammer mit einem Primärkolben,
eine Schnellansprech-Komponente und eine Steuereinrichtung, die betriebsmäßig mit
der Kammer verbunden ist. Die Kammer umfaßt ferner zumindest eine Fluidöffnung zum
Zuführen
von Fluid in diese und eine Auslaßöffnung. Der Primärkolben
in Kombination mit der Fluidöffnung
stellt der Kammer einen variablen Druck bereit und unterstützt zumindest
teilweise die Verbrennung, um Energie in einem Verbrennungsabschnitt der
Kammer zu erzeugen. Der Primärkolben
bewegt sich in der Kammer hin und her. Die Steuereinrichtung steuert
die Verbrennung in der Kammer. Die Schnellansprech-Komponente steht
in Fluidverbindung mit der Kammer, so daß die Schnellansprech-Komponente
neben dem Verbrennungsabschnitt der Kammer liegt. Erfindungsgemäß zieht
die Schnellansprech-Komponente
einen Teil der Energie von der Verbrennung in der Kammer ab.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung gewährleistet, daß der von
der Schnellansprech-Komponente von der Verbrennung abgezogene Teil
der Energie sofort nach der Verbrennung und bevor der Primärkolben
mitten zwischen einer oberen Todpunktlage und einer unteren Todpunktlage
in der Kammer angeordnet ist, abgezogen wird. Ferner zieht die Schnellansprech-Komponente
zumindest 90% des Teils der Energie aus der Kammer innerhalb von
45 Grad des Abstiegswinkels des Primärkolbens aus der oberen Todpunktlage
heraus ab. So wird ein Großteil
des Teils der von der Schnellansprech-Komponente abgezogenen Energie
relativ lange vor der Beendigung eines Reziprokationszyklusses des
Primärkolbens
vollendet.
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Die
Schnellansprech-Komponente umfaßt einen
Sekundärkolben
mit einem Energieaufnahmeabschnitt. Der Sekundärkolben ist mit einem Energieübertragungsabschnitt
verbunden, wobei der Energieaufnahmeabschnitt des Sekundärkolbens
den Teil der Energie von der Verbrennung abzieht und die Energie
an den Energieübertragungsabschnitt
der Schnellansprech-Komponente überträgt. Bei
dem Energieübertragungsabschnitt
wird der Teil der von der Verbrennung abgezogenen Energie in hydraulische
Energie, pneumatische Energie, elektrische Energie oder mechanische
Energie umgewandelt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung gewährleistet, daß obgleich
die Linearbewegung des Primärkolbens
zwischen den oberen Todpunktlagen stets im wesentlichen Konstant
ist, die Linearbewegung des Sekundärkolbens variabel in der Länge ist.
Eine derartige variable Länge
wird bestimmt anhand zumindest einer Last, auf welche der Teil der
Energie wirkt. Ferner ist die effektive Trägheit des Primärkolbens
größer als
die effektive Trägheit des
Sekundärkolbens,
und zwar mit einem Verhältnis von
zumindest 5:1. Ein solches Verhältnis
liegt zumindest während
der Zeit vor, in welcher der Teil der Energie an den Sekundärkolben
abgezogen wird.
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Die
Steuereinrichtung steuert die Verbrennung in der Kammer. Insbesondere,
und zwar abhängig
von der Last und/oder den Anforderungen der IC-Maschine, steuert
und wählt
die Steuereinrichtung bestimmte Zyklen aus den im wesentlichen kontinuierlichen,
sich wiederholenden Zyklen des sich in der Kammer hin- und herbewegenden
Primärkolbens, zum
Einleiten der Verbrennung. Als solches steuert die Steuereinrichtung
die von dem Sekundärkolben abgezogene
Energie, um eine Impulsmodulation und/oder Amplitudenmodulation
der Energie bereitzustellen.
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Als
solches gewährleistet
die Fähigkeit,
bestimmte Zyklen zu wählen,
und somit die Fähigkeit, schnell
Energie bereitzustellen und die Energie von Zyklus zu Zyklus zu
begrenzen, eine bessere Bandbreite als die von dem Primärkolben
bereitgestellt Bandbreite.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Kammer vor allem ein einziges Raumgehäuse für sowohl den Primärkolben
als auch die Schnellansprech-Komponente. Die Schnellansprech-Komponente
umfaßt
einen Sekundärkolben,
wobei der Sekundärkolben
und der Primärkolben
einander gegenüberliegen,
und zwar mit dem Verbrennungsabschnitt in der Kammer zwischen ihnen.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Kammer einen ersten Raum und einen zweiten Raum mit einem Trennabschnitt,
welcher die Räume
trennt und wobei in dem Trennabschnitt eine Öffnung definiert ist, und sich
zwischen dem ersten und dem zweiten Raum erstreckt. Bei dieser Anordnung
wird das Fluid von dem Primärkolben
des ersten Raumes durch die Öffnung
in den zweiten Raum komprimiert, wobei die Steuereinrichtung das
komprimierte Fluid in dem zweiten Raum zündet. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist die Verbrennung zumindest teilweise von dem Primärkolben
isoliert.
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel
ist die vorliegende Erfindung auf eine Schnellansprech-Komponente
in Verbindung mit einem Nicht-Verbrennungssystem gerichtet. Bei
diesem System ist ein reaktives Mittel, wie beispielsweise ein Katalysator,
in der Kammer angeordnet. Das reaktive Mittel ist in der Kammer
angeordnet und nimmt ein Fluid, wie beispielsweise einen Ein-Komponenten-Treibstoff
oder Wasserstoffperoxid, auf, um eine Reaktion ohne Verbrennung
bereitzustellen, welche der Kammer Energie und eine variablen Druck
zum Hin- und Herbewegen des Primärkolbens
bereitstellt. Die Steuereinrichtung steuert die Reaktion ohne Verbrennung,
indem das in die Kammer eintretende Fluid gesteuert wird. Die Schnellansprech-Komponente liegt
neben einem Abschnitt der Kammer mit der Reaktion ohne Verbrennung,
so daß die
Schnellansprech-Komponente einen Teil der Energie von der Reaktion
ohne Verbrennung abzieht und extrahiert.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
bei Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung, den begleitenden
Zeichnungen und den beigefügten
Ansprüchen
deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Schnellansprech-Energieextraktionssystems, welche
eine Kammer mit einem Primärkolben
und einem Sekundärkolben
zeigt, wobei es sich jedoch nicht um ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
handelt;
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2 zeigt
eine Blockdarstellung im Zusammenhang mit verschiedenen schematischen
Teilseitenansichten, welche verschiedene Formen der Energieübertragung über einen
Energieübertragungsabschnitt
des Schnellansprech-Energieextraktionssystems
gemäß 1 zeigen;
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3 zeigt
eine schematische Teilseitenansicht des Schnellansprech-Energieextraktionssystems,
welche eine Kammer mit mehreren Räumen zeigt, und zwar gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindugn;
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4 zeigt
eine grafische Darstellung der physikalischen Ansprechcharakteristika
des Primärkolbens
in Bezug auf den Sekundärkolben
im Hinblick auf Zeit, Temperatur und Hubvolumen des Primär- und Sekundärkolbens,
und zwar gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
eine grafische Darstellung der physikalischen Ansprechcharakteristika
des Primärkolbens
in Bezug auf den Sekundärkolbens,
welche die Impulsmodulation des Sekundärkolbens zeigt, und zwar gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 zeigt
eine grafische Darstellung der physikalischen Ansprechcharakteristika
des Sekundärkolbens,
welche eine Kombination von Impuls- und Amplitudenmodulation des
Sekundärkolbens zeigt,
und zwar gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 zeigt
eine schematische Teilseitenansicht des Schnellansprech-Energieextraktionssystems,
welche den Primär- und den Sekundärkolben hinsichtlich
der linearen Verschiebung zeigt, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7A zeigt
eine grafische Darstellung der linearen Verschiebung des Sekundärkolbens
hinsichtlich größerer und
kleinerer Lasten, und zwar gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 zeigt
eine schematische Teilseitenansicht des Schnellansprech-Energieextraktionssystems,
welche ein System ohne Verbrennung zeigt, und zwar gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung; und
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9 zeigt
eine Vorderansicht einer repräsentativen
Verwendung der vorliegenden Erfindung, wie sie bei einem tragbaren
Exoskelett-Rahmen verwendet wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Für die Zwecke
der Förderung
des Verständnisses
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug genommen
auf die in den Zeichnungen dargestellten exemplarischen Ausführungsbeispiele, von
denen lediglich 3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist, und es wird eine spezielle Sprache zur Beschreibung verwendet.
Es ist nichts desto trotz jedoch klar, daß keine Beschränkung des Schutzumfangs
der Erfindung dadurch beabsichtigt ist. Alle Änderungen und weiteren Modifikationen
der hier gezeigten erfinderischen Merkmale und alle weiteren Anwendungen
der Prinzipien der hier gezeigten Erfindung, welche für den Fachmann
auf dem relevanten Gebiet mit Zugriff auf diese Offenbarung naheliegen,
werden als in den Schutzumfang der Erfindung fallend betrachtet.
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Es
wird nun zuerst auf 1 Bezug genommen. Eine vereinfachte
schematische Ansicht eines Schnellansprech-Energieextraktionssystems 100 ist gezeigt.
Ein solches System 100 kann zum Teil eine übliche Brennkraftmaschine
("IC"), wie beispielsweise
eine Viertakt-Funkenzündungs-IC-Maschine,
umfassen. Bei der vorliegenden Erfindung können auch andere Maschinentypen
verwendet werden, beispielsweise Kompressionszündungs-IC-Maschinen, Zweitakt-IC-Maschinen,
Maschinen ohne Verbrennung oder eine beliebige andere geeignete
Maschine. Der Einfachheit halber ist das Schnellansprech-Energieextraktionssystem 100 hier
in Verbindung mit einer üblichen
Viertakt-Funkenzündungs-IC-Maschine
gezeigt, wobei eine einzige Kammer 110 bei der vorliegenden
Erfindung gezeigt ist.
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Die
Kammer 110 ist definiert durch Kammerwände 105 und umfaßt einen
oder mehrere Einlaßöffnungen 112 zum
Aufnehmen eines Fluids 114 und eines Sauerstoffträgers, wie
beispielsweise Luft oder Sauerstoff, getrennt oder als eine Mischung,
und eine Auslaßöffnung 122 zum
Freisetzen von Verbrennungsabgasen 124. Jede der Einlaßöffnung 112 und der
Auslaßöffnung 122 umfaßt ein (nicht
gezeigtes) Ventil, welche zu speziellen Zeiten öffnen und schließen, um
zu ermöglichen,
daß Brennstoff 114 und
Abgas 124 die Kammer 110 betritt bzw. verläßt. Die Kammer 110 umfaßt einen
Primärkolben 130,
einen Sekundärkolben 140 und
einen Verbrennungsabschnitt 120 zwischen diesen. Der Primärkolben 130 ist
mit einer Kolbenstange 132 verbunden, welche wiederum mit
einer Kurbelwelle 134 verbunden ist. Der Primärkolben 130 ist
von der Größe nach
so festgelegt, daß er
sich zum Umwandeln der Linearbewegung 138 des Primärkolben 130 in
Rotationsenergie 136 an der Kurbelwelle 134 linear
in der Kammer 110 bewegen kann. Solche Rotationsenergie 136 kann verwendet
werden, um eine große
Auswahl von externen Anwendungen, wie beispielsweise eine beliebige
Anwendung, die üblicherweise
eine IC-Verbrennungsmaschine verwendet, anzutreiben.
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Die
Linearbewegung 138 des Primärkolbens 130 findet
zwischen einer oberen Todpunktlage (TDC) und einer unteren Todpunktlage
(BDC) statt. Die TDC-Position tritt auf, wenn sich der Kolben 130 in
die Stellung am weitesten entfernt von der Kurbelwelle 134 bewegt
hat, und die BDC-Position tritt auf, wenn sich der Primärkolben 130 am
nächsten
zu der Kurbelwelle 134 bewegt hat. Die Linearbewegung des
Primärkolbens 130 zwischen
der TDC-Position und der BDC-Position kann mit einer zyklischen
Verbrennung in dem Verbrennungsabschnitt 120 der Kammer 110 erzeugt
werden. Der Primärkolben 130 kann
ferner mit anderen geeigneten Mitteln in der Kammer 110 linear
bewegt werden, beispielsweise mit einem Energie von einer Batterie
verwendenden Elektromotor.
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Ein
Viertaktzyklus einer IC-Maschine beginnt mit dem bei der TDC angeordneten
Kolben 130. Wenn sich der Kolben 130 zu der BDC
bewegt, wird ein Brennstoff 114 und ein Sauerstoffträger oder
eine brennbare Mischung über
die Einlaßöffnung 112 in die
Kammer 110 geführt,
welche einen oder mehrere Öffnungen
umfassen kann, und auch eine variable Öffnung zum Variieren der Strömung und
der Menge des Brennstoffes 114 in die Kammer 110 sein
kann. Sobald der Brennstoff 114 in die Kammer 110 gelangt,
wird die Einlaßöffnung 112 geschlossen
und der Kolben 130 kehrt zur TDC zurück, wobei das brennbare Gemisch
und/oder Brennstoff 114 in die Kammer 110 gedrückt wird.
Eine von einer Steuereinrichtung 115 gesteuerte Zündquelle 116 liefert
einen Funken, wobei zu diesem Zeitpunkt der komprimierte Brennstoff
verbrennt und den Kolben 130 zurück zur BDC treibt. Die Steuereinrichtung 115 kann
ferner die (nicht gezeigten) Ventile bei der Einlaßöffnung 112 und
der Auslaßöffnung 122 steuern,
um die Rate zu steuern, mit welcher Brennstoff 114 in die
Kammer 110 geleitet wird. Wenn der Kolben 130 wieder
zur TDC zurückkehrt,
werden Verbrennungsabgase 124 durch die Auslaßöffnung 122 getrieben.
Die Auslaßöffnung 122 wird
dann geschlossen und die Einlaßöffnung 112 wird
geöffnet,
und der Viertaktzyklus kann erneut beginnen. Auf diese Weise treibt
eine Serie von Verbrennungszyklen die Kurbelwelle 134 an,
welche einer externen Anwendung Rotationsenergie 136 bereitstellt.
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Die
Kammer 110 umfaßt
ferner einen Sekundärkolben 140 mit
einer sich von diesem erstreckenden Sekundärkolbenstange 142.
Der Sekundärkolben 140 umfaßt eine
Stirn- oder Energieaufnahmefläche 144,
und die Sekundärkolbenstange 142 ist mit
einem Energieübertragungsabschnitt 146 verbunden.
Die Energieaufnahmefläche 144 kann
in der Kammer 110 gegenüber
dem Primärkolben 130 angeordnet
sein, so daß die
Längsbewegung
des Primärkolbens 130 und
des Sekundärkolbens 140 einer Längsachse
der Kammer 110 entspricht. In einer inaktiven Stellung
kann die Energieaufnahmefläche 144 des
Sekundärkolbens 140 in
einer im wesentlichen abdichtenden, zurückgezogenen Stellung gegen
eine Lippe oder ein anderes geeignetes Dichtungsmittel vorgespannt
sein, und zwar vorgespannt mit einer Feder oder einer anderen geeigneten
Vorspannkraft wie beispielsweise einem Druckreservoir, so daß der Sekundärkolben 140 vor
der Einführung von
Brennstoff in die Brennkammer 110 oder vor der Verbrennung
während
der zyklischen Verbrennung des Systems 110 mit einer Vorspannung
angeordnet ist.
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Der
Sekundärkolben 140 hat
eine wesentlich geringere Trägheit
als der Primärkolben 130.
Eine derartige wesentlich geringere Trägheit unterstützt, angeordnet
neben den Verbrennungsabschnitt 120 der Kammer 110,
eine schnelle Ansprechzeit auf die Verbrennung, welche eine Linearbewegung 148 des Sekundärkolbens 140 entlang
der Längsachse
der Kammer 110 bereitstellt. Da die Trägheit des Sekundärkolbens 140 viel
geringer als die Trägheit
des Primärkolbens 130 ist,
kann der Sekundärkolben 140 einen
großen
Anteil der von der Verbrennung erzeugten Energie effizient abziehen,
bevor sie anderweitig aufgrund von IC-Maschinen inhärenten Ineffizienzen verloren
geht. Bei dieser Anordnung ist die Energieaufnahmefläche 144 des
Sekundärkolbens 140 der Größe nach
so ausgestaltet, angeordnet und ausgebildet, daß sie auf die Verbrennung in
der Kammer 110 reagieren kann, um eine Linearbewegung 148 der
Energieaufnahmefläche 144 bereitzustellen,
auf welche dann der Energieübertragungsabschnitt 146 des
Systems 100 reagiert.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Der Energieübertragungsabschnitt 146 kann
umfassen und/oder kann mit einer beliebigen Anzahl von Energieumwandlungseinrichtungen
gekoppelt sein. Insbesondere kann der Energieübertragungsabschnitt 146 die
Linearbewegung des Sekundärkolbens 140 in
hydraulische Energie, pneumatische Energie, elektrische Energie
oder mechanische Energie übertragen
bzw. transformieren. Ein Transformieren einer Linearbewegung in
solche verschiedene Arten von Energie ist aus dem Stand der Technik
bekannt.
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Bei
einem hydraulischen System 160 beispielsweise kann die
von der Sekundärkolbenstange 142 auf
einen hydraulischen Kolben 164 in einer hydraulischen Kammer 162 übertragene
Linearbewegung hydraulischen Druck und einen hydraulischen Strom 168 bereitstellen,
wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Entsprechend kann
bei einem pneumatischen System 170 die Se kundärkolbenstange 142 einem
pneumatischen Kolben 174 in einer pneumatischen Kammer 172 eine
Linearbewegung bereitstellen, um eine Ausgangsenergie in der Form
von pneumatischen Druck und einem Gasstrom 178 bereitzustellen.
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Andere
Systeme können
ein elektrisches System 180 und ein mechanisches System 190 umfassen.
Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann bei einem elektrischen
System 180 die Linearbewegung der Sekundärkolbenstange 142 mit
einem Anker mit einer darum gewundenen Spule verbunden sein, wobei
der Anker sich in der Spule hin- und herbewegt, um eine elektrische
Energieabgabe 188 zu erzeugen. Ferner kann bei einem mechanischen
System die Linearbewegung der Sekundärkolbenstange 142 mit
einer eine Kurbelwelle 194 schiebenden Klaue 192 in
Rotationsenergie übertragen werden,
um Rotationsenergie 198 bereitzustellen. Darüber hinaus
kann die Sekundärkolbenstange 142 direkt
mit der Kurbelwelle 194 verbunden sein, um die Rotationsenergie 198 bereitzustellen.
Andere Verfahren zum Umwandeln von Energie sind dem Fachmann bekannt.
Beispielsweise können
Rotations-Generatoren, zahnradgetriebene Systeme und riemengetriebene
Systeme von dem Energieübertragungsabschnitt 146 der
vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, in welcher
ein Ausführungsbeispiel
eines Schnellansprech-Energieextraktionssystems 200 gemäß der Erfindung
gezeigt ist. Das zweite Ausführungsbeispiel
entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel,
mit der Ausnahme, daß die
Kammer 210 einen ersten Raum 254 und einen zweiten
Raum 256 mit einem dazwischen angeordneten Trennabschnitt 250 definiert
oder aufweist. Der Trennabschnitt 250 definiert eine Öffnung 252 darin,
wobei sich die Öffnung 252 zwischen
dem ersten Raum 254 und dem zweiten Raum 256 erstreckt.
Bei dieser Anordnung ist der Primärkolben 230 in dem
ersten Raum 254 und der Sekundärkolben 240 in dem
zweiten Raum 256 angeordnet. Mit anderen Worten umfaßt der erste
Raum den Kolben 230 und der zweite Raum umfaßt die Schnellansprech-Komponente
oder den Sekundärkolben 240,
wobei die Einlaßöffnung 212 ein
Eintreten von Brennstoff 214 und/oder einer brennbaren Mischung
in den ersten Raum 254 er möglicht. Der Brennstoff 214 und/oder
die brennbare Mischung werden aus dem ersten Raum 254 mit
dem Primärkolben 230 durch
die Öffnung 252 in
den zweiten Raum 256 gedrückt. Der Brennstoff 214 und/oder
die brennbare Mischung wird bei dem Verbrennungsabschnitt 220 der
Kammer 210 komprimiert, wobei der Verbrennungsabschnitt
direkt neben dem Sekundärkolben 240 liegt.
Ein Zündquelle 216 zündet dann den
Brennstoff für
die Verbrennung, wobei sich der Sekundärkolben 240, wie es
mit Pfeil 248 gezeigt ist, linear mit einer schnellen Ansprechzeit
auf die Verbrennung bewegt. Das Verbrennungsabgas 224 tritt dann
durch die Auslaßöffnung 222 aus.
Es sollte angemerkt werden, daß der
erste Raum 254 und der zweite Raum 256 voneinander
entfernt sein können, wobei
der erste und der zweite Raum 254 und 256 über eine
Röhre in
Fluidverbindung stehen können.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
kann sich der Primärkolben 230 aufgrund
der Verbrennung oder einer elektrischen Energiequelle hin- und herbewegen, um
den Brennstoff 214 aus dem ersten Raum in den zweiten Raum
der Kammer 210 zu drücken.
Aufgrund des Vorhandenseins eines Trennabschnittes 250 kann
die Verbrennung bei dem Verbrennungsabschnitt 220 der Kammer 210 zumindest
teilweise oder sogar vollständig
von dem Primärkolben 230 isoliert
sein. In Abhängigkeit
von den Erfordernissen des Systems 200 kann die Steuereinrichtung 215 die Öffnung 252 mit
unterschiedlichen Winkeln öffnen oder
schließen,
um die Verbrennung von dem Primärkolben 230 zu
isolieren. Als solches wird, beispielsweise bei einer vollständigen Isolierung,
aufgrund einer schnellen Ansprechzeit auf die Verbrennung eine maximale
Energiemenge auf den Sekundärkolben 240 übertragen.
Es wird ferner in Erwägung
gezogen, daß der
Primärkolben 230 in
dem ersten Raum 254 einen Verdränger-Verdichter und/oder einen
aerodynamischen Kompressor wie beispielsweise einen zentrifugalen
Kompressor umfaßt.
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Es
wird nun auf die 1 und 4 Bezug genommen.
Es wird eine grafische Darstellung der physikalischen Ansprechcharakteristika
des Sekundärkolbens 140 im
Hinblick auf den Primärkolben 130 gezeigt.
Die Linie 330 stellt die Linearbewegung 138 des
Primärkolbens 130 dar,
der sich zwischen der TDC- Position 350 und
der BDC-Position 352 hin- und herbewegt. Die Line 330 zeigt
einen vollständigen Zyklus
für eine
Viertakt-IC-Machine,
bei welchem der Primärkolben 130 sich
zwischen der TDC-Position 350 und der BDC-Position 352 zweimal
bewegt, wobei ein Verbrennungsereignis augenblicklich nachdem der
Primärkolben 130 zum
ersten Mal die TDC erreicht hat, stattfindet. Die Line 340 zeigt
die Linearverschiebung des Sekundärkolbens 140. Wie
gezeigt, erreicht der Sekundärkolben 140 eine
im wesentlichen vollständige
Verschiebung innerhalb von zumindest 45 Grad, und auch bis zu 30
Grad des Abstiegswinkels des Primärkolbens 140 von der
TDC 350, wobei der Sekundärkolben 140 einen
Zyklus wesentlich schneller beendet als dies der Primärkolben 130 tut.
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Es
wird sich nun der Linie 360 zugewendet. Diese stellt eine
relative Anzeige der Temperaturzunahme und des Temperaturabfalls
in der Kammer 110 aufgrund der Verbrennung bzw. des Wärmeverlustes
im Hinblick auf die linearen Positionen des Primärkolbens 130 und des
Sekundärkolbens 140 dar. Augenblicklich
nach Zündung
des Brennstoffes 114 und/oder der brennbaren Mischung,
nämlich
wenn sich der Primärkolben 130 in
der Nähe
der TDC-Position 350 befindet, fördert die Verbrennung eine
erhebliche Temperaturzunahme. Wie es bekannt ist, wandeln IC-Maschinen die von
der Verbrennung erzeugte thermische Energie in eine lineare Bewegung des
Primärkolbens
um, welche wiederum in eine Rotationsenergie der Antriebsachse umgewandelt
wird. Jedoch geht viel der in üblichen
Brennkraftmaschinen erzeugten thermalen Energie aufgrund eines Wärmeverlustes
in die die Brennkammer umgebenden Wände und in die Verbrennungsabgase
verloren. Auch die effizientesten Brennkraftmaschinen erreichen
nur selten Effizienzen von mehr als 35%. Folglich geht mehr als
die Hälfte
der von dem verbrannten Brennstoff verfügbaren Energie in der Form von
Hitze durch die Wände
und den Kolben als Ableitung und Strahlung verloren, oder wird als
Wärme über das
Abgas freigesetzt.
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Der
durch das Ansteigen und Abfallen der Linie 360, die die
Verbrennung darstellt, dargestellte Wärmeanstieg und Wärmeverlust
zeigt die Zeit, während
der Energie in der Form von thermischer Energie verfügbar ist,
und die Zeit, in welcher der Primärkolben 130 die thermische
Energie abziehen sollte. Die Zeit t2 zeigt
die Zeitspanne, während
der ein Großteil
der thermischen Energie für
die Umwandlung durch den Primärkolben
verfügbar
ist. Die Zeit t1 zeigt die Zeitspanne an,
während
der sich der Primärkolben 130 von
der TDC- 350 zu der BDC-Position 352 bewegt.
Es ist diese Zeitspanne t1, während der der
Primärkolben 130 Energie
von dem Verbrennungsprozeß umwandelt
sollte. Wie es anhand des Unterschiedes zwischen den Zeitspannen
t1 und t2 aufgezeigt
ist, geht das meiste der thermischen Energie von der Verbrennung
verloren, bevor der Primärkolben 130 bei
seinem Weg zwischen der TDC- 350 zu der BDC-Position 352 eine
mittlere Position 354 erreicht.
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Jedoch
beendet der Sekundärkolben 140 vor dem
Ablauf der Zeitspanne t2 seinen nutzbaren
Energieextraktionszyklus zum größten Teil.
Insbesondere, wie es durch die Linie 340 aufgezeigt ist,
werden zumindest 90% der von dem Sekundärkolben 140 extrahierten
bzw. abgezogenen Energie innerhalb von zumindest 45 Grad, und auch
von zumindest 30 Grad des Abstiegsweges des Primärkolbens 140 aus der TDC-Position 350 abgezogen.
Da der Sekundärkolben 140 sich
viel schneller bewegt als der Primärkolben 130, kann
er einen wesentlich größeren Prozentsatz
der thermischen Energie in eine Linearbewegung umwandeln, bevor
die thermische Energie an die von den Wänden, dem Primärkolben
und anderen Komponenten der IC-Maschine gebildete Wärmesenke
verloren ist. Darüber
hinaus reagiert der Sekundärkolben 140 auf
die Verbrennung mit einer sehr kurzen Ansprechzeit ohne von dem
Primärkolben 130 gestört zu werden,
da der Sekundärkolben 140 unabhängig von
dem Primärkolben 130 agiert
und da der Sekundärkolben 140 eine
wesentlich geringere Trägheit
als der Primärkolben 130 aufweist.
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Wenn
beispielsweise eine IC-Maschine mit Betriebscharakteristika von
3000 Umdrehungen pro Minute läuft,
würde t1 ungefähr
10 Millisekunden oder 0,010 Sekunden, und t2 ungefähr 3 Millisekunden
betragen. Da der Sekundärkolben 140 unabhängig von dem
Primärkolben 130 betrieben
werden kann, kann der Sekundärkolben 140 mit
einer Ansprechzeit von ungefähr
3 Milli sekunden oder sogar mit einer potentiell kürzeren Ansprechzeit
betrieben werden. Mit anderen Worten kann der Sekundärkolben 140 das
Abziehen von Energie aus den Verbrennungszyklen des Systems 100 sowohl
innerhalb einer Zeitspanne von zumindest 3 Millisekunden beginnen
als auch stoppen. Eine höhere
Zyklengeschwindigkeit kann erreicht werden, indem der Primärkolben 130 bei
einer höheren
Geschwindigkeit (das heißt
einer höheren Anzahl
von UpM) betrieben wird.
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Es
wird sich den 1 und 5 zugewendet.
Es sind physikalische Ansprechcharakteristika wie beispielsweise
Impulsmodulationen und bessere, von dem Sekundärkolben 140 gelieferte
Bandbreite im Hinblick auf den Primärkolben 130 gezeigt.
Insbesondere zeigt die Linie 430 den sich wiederholt oder im
wesentlichen kontinuierlich mit einer im wesentlichen festen Verschiebung
zwischen der TDC- und BDC-Stellung hin- und herbewegenden Primärkolben 130.
Da sich der Primärkolben 130 kontinuierlich hin-
und herbewegt, kontrolliert die Steuereinrichtung 115 die
Verbrennung bei selektiven Zyklen des Hin- und Herbewegens des Primärkolbens 130.
Die Zyklen des Hin- und Herbewegens des Primärkolbens 130, bei
welchen eine Verbrennung gewählt
wird, sind als entsprechende Linien 440 veranschaulicht. Die
Linie 440 zeigt einen Teil von Energie, der von dem Sekundärkolben 140 von
den gewählten
Zyklen des Primärkolbens 130 abgezogen
wird, wobei die Steuereinrichtung 115 die Verbrennung steuert
oder einleitet (das heißt
Amplitudenmodulation, Impulsmodulation und Frequenzmodulation).
Der ebene Abschnitt 442 der Linie 440 entspricht
der Abwesenheit einer Verbrennung, und zeigt keine Verschiebung
und Energieextraktion des Sekundärkolbens 140.
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Wie
es gezeigt ist, bewegt sich der Primärkolben 130 in der
Kammer 110 kontinuierlich hin und her, wobei die Steuereinrichtung 115 selektiv
bestimmte Zyklen des Hin- und Herbewegens steuert, in welchen eine
Verbrennung auftritt. Die für
eine Verbrennung zum Unterstützen
der Extraktion von einem Teil der Verbrennungsenergie ausgewählten Zyklen
können
jeden Zyklus des Hin- und Herbewegens des Primärkolbens umfassen, oder, wie
angezeigt, eine Impulsmodulation. Eine derartige Im pulsmodulation
gewährleistet
sowohl, daß Energie über einen oder
mehrere gewählte
Zyklen des Primärkolbens 130 extrahiert
bzw. abgezogen wird, als auch eine oder mehrere Sequenzen von gewählten Zyklen,
in denen keine Energie extrahiert wird.
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Wie
es für
einen Fachmann einfach zu erkennen ist, zeigt die Impulsmodulation,
daß die
Rate, mit welcher Energie extrahiert werden kann und mit der dann
die Energieextraktion beendet werden kann, extrem schnell ist. Eine
derartige Fähigkeit
zum Extrahieren von Energie, und dem anschließenden schnellen Stoppen der
Extraktion, um dann wieder bei gewählten Zyklen des Primärkolbens 130 rasch Energie
zu extrahieren, stellt eine vorteilhafte Bandbreite bereit, die
der Bandbreite der Energieextraktion und -umwandlung des Primärkolbens 130 weit überlegen
ist. So kann Energie bereitgestellt und gestoppt werden, und zwar
mit einer schnellen Ansprechzeit und mit einer vorteilhaften Bandbreite
von der Steuereinrichtung 115, die die Verbrennung bei gewählten Zyklen
steuert, und dem auf die Verbrennung reagierenden Sekundärkolben 140,
wie es durch die Linie 440 angezeigt ist. Es wird auf die 1 und 6 Bezug
genommen. Darüber
hinaus kann die Steuereinrichtung 115 den Brennstoff 114 und
die Verbrennung bei gewählten
Zyklen des Primärkolbens 130 so
wählen,
daß der
Sekundärkolben 140 einen
Teil der Verbrennungsenergie extrahiert, um eine Amplitudenmodulation
und ferner eine Impulsamplitudenmodulation 540 bereitzustellen.
Ferner kann ein Fachmann leicht erkennen, daß die Steuereinrichtung 115 den
Brennstoff 114 und die Verbrennung bei gewählten Zyklen
so wählen
kann, daß eine
Frequenzmodulation und sogar eine Frequenz-, Impulsmodulation oder
gar eine Frequenz-, Amplitudenmodulation bereitgestellt wird.
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Es
wird sich 7 zugewendet, in welcher eine
relative Linearbewegung hinsichtlich des Primärkolbens 630 und des
Sekundärkolbens
gezeigt ist, wobei beide in der Kammer 610 enthalten sind. Insbesondere
ist die Linearbewegung 638 des Primärkolbens 630 in der
Kammer 610 im wesentlichen konstant mit einer Verschiebung
D1. Andererseits kann die Linearbewegung 648 des Sekundärkolbens in
der Länge
variabel sein, was als Verschiebung D2 gekennzeichnet ist. Eine
derartige variable Länge
der Verschiebung D2 des Sekundärkolbens
kann sich im Hinblick auf eine Last 650, auf welche die
von dem Sekundärkolben
extrahierte Energie reagiert, variieren. Andere Faktoren, die die
Verschiebung D2 des Sekundärkolbens 640 beeinflussen,
betreffen die Trägheit
der Masse des Sekundärkolbens 640 und seiner
Kolbenstange 642. Wie zuvor dargelegt, ist die effektive
Trägheit
des Primärkolbens 630,
einer Kurbelanordnung, größer als
die effektive Trägheit
des Sekundärkolbens 640,
und zwar mit einem Verhältnis von
zumindest 5:1 und sogar von zumindest 10:1, und zwar zumindest während der
Zeitspanne, in der ein Teil der Energie von dem Sekundärkolben 640 von
der Verbrennung extrahiert wird. Da die Trägheit des Sekundärkolbens 640 geringer
als die Trägheit des
Primärkolbens 630 ist,
ist der Sekundärkolben 640 in
der Lage, mit einer schnellen Ansprechzeit zu reagieren. Auf diese
Weise ist die Verschiebung D2 des Sekundärkolbens 640 in der
Länge variabel,
wobei die Verschiebung D2 normalerweise mit zumindest der Last 650 übereinstimmt
und dieser entspricht, auf welche sowohl die abgezogene Energie einwirkt,
als auch im Hinblick auf die auf den Sekundärkolben 640 bei der
Verbrennung einwirkende Verbrennungskraft. D2' und D2'' stellen
eine Vielzahl von Längen
dar, welche ein Kontinuum von Werten bilden, und zwar entsprechend
einem kontinuierlichen Übertragungssystem.
Dies ist in 7A gezeigt, wobei D2' einer größeren Last,
und D2'' einer geringeren Last
entspricht, wodurch das Bedürfnis
nach einer separaten Übertragungseinrichtung,
wie sie üblicherweise
für eine
IC-Maschine benötigt
wird, vermieden wird.
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Es
wird auf 8 Bezug genommen. Das Schnellansprech-Energieextraktionssystem 700 kann
in einer Maschine ohne Verbrennung bereitgestellt werden, und zwar
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das System 700 umfaßt eine
Kammer 710 mit einem Primärkolben 730 und einem
Sekundärkolben 740.
Anstelle einer mit Brennstoff und Sauerstoff ermöglichten Verbrennung kann ein
Fluid 714, wie beispielsweise ein Einkomponententreibstoff
oder Wasserstoffperoxid, über
eine Einlaßöffnung 712 der
Kammer 710 eintreten. Das Fluid 714 kann durch
oder über
ein Reaktionsmittel 720 strö men, wie beispielsweise einen
Katalysator oder Wärmeaustauscher.
Ein derartiger Katalysator kann Silber, eine Silberlegierung und/oder ein
Silber/Keramik-Material umfassen. Wenn das Fluid 714 über das
Reaktionsmittel 720 strömt,
erfolgt eine schnelle Reaktion ohne Verbrennung, welche eine rasche
Zersetzung des Fluides 714 und/oder eine Verdampfung des
Fluides 714 umfassen kann. Wie bei IC-Maschinen bewirkt
eine derartige rasche Reaktion ohne Verbrennung eine rasche Ansprechzeit
des Sekundärkolbens 740 für eine Extraktion
eines Teils der Energie von der raschen Reaktion ohne Verbrennung.
Bei diesem System kann sich der Primärkolben 740 hin und
herbewegen und wie der Primärkolben
in der IC-Maschine funktionieren, oder wahlweise kann der Primärkolben 730 einfach
als ein Mittel zum Pumpen von Fluid in und aus der Kammer 710 agieren.
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Während sich
die vorstehende Beschreibung auf die Charakteristika von Viertakt-Brennkraftmaschinen
als Primärenergiequellen
konzentrierte, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Verwendung mit
einer Brennkraftmaschine beschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann mit einer Primärenergiequelle verwendet werden,
die einen variabel pulsierenden Druck liefert. Beispielsweise können Zeitakt-Brennkraftmaschinen,
Dieselmotoren, Stirling-Motoren, Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung
und Wärmekraftmaschinen
als Primärenergiequellen
für die
Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung verwendet werden.
Die oben beschriebene vorliegende Erfindung kann verwendet werden,
um in Robotern verwendeten Energiequellen eine energetische Autonomie
bereitzustellen. Roboter können
von unabhängigen,
Brennstoff verbrauchenden Einrichtungen angetrieben werden, welche
nicht an eine Primärenergiequelle
angebunden sind. Da die vorliegende Erfindung eine direkte Umwandlung
von Brennstoff in Schnellansprech-Energie ermöglicht, ist eine Zwischenspeichereinrichtung,
wie beispielsweise ein großer
hydraulischer Druckspeicher oder eine elektrische Batterie, nicht
länger
notwendig, wodurch große
Gewichtshinzufügungen
zu dem Roboter vermieden werden, ohne die Geschwindigkeit, mit welcher
der Roboter auf Energie zugreifen kann, zu beeinträchtigen.
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Beispielsweise
kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um in Robotern
verwendeten Energiequellen eine energetische Autonomie zu ermöglichen.
Roboter können
von unabhängigen, Brennstoff
verbrauchenden Einrichtungen angetrieben werden, welche nicht an
eine Primärenergiequelle
angebunden sind. Da die vorliegende Erfindung die direkte Umwandlung
von Brennstoff in Schnellansprech-Energie ermöglicht, ist eine Zwischenspeichereinrichtung,
wie beispielsweise ein großer
hydraulischer Druckspeicher oder eine elektrische Batterie, nicht
länger
notwendig, wodurch große
Gewichtshinzufügungen
zu dem Roboter vermieden werden, ohne die Geschwindigkeit, mit welcher
der Roboter auf Energie zugreifen kann, zu beeinträchtigen.
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Zusätzlich zum
Bereitstellen einer leichten, energetisch autonomen Schnellansprech-Energiequelle
zur Verwendung bei Robotern, kann die vorliegende Erfindung auf
fast die gleiche Weise zum Unterstützen der menschlichen Bewegung
verwendet werden. Allgemein als 800 in 9 ist
ein tragbarer Exoskelett-Rahmen für die Anwendung durch einen Menschen
gezeigt. Eine zentrale Steuereinheit 802 kann als eine
Brennstoffspeichereinrichtung, Energieerzeugungscenter und/oder
Signalerzeugungs-/Bearbeitungscenter dienen. Ein Aktuator 806 ist
bei 808 an den Verbindungsstellen des Exoskelettes 809 befestigt,
wie es bei 804 gezeigt ist. Der (nicht gezeigte) Zylinder
in dem Aktuator kann ausgefahren oder eingezogen werden, um die
relative Position des oberen und des unteren Beinsegmentes 816 bzw. 818 des
Exoskelett-Rahmens zu justieren. Der Aktuator 806 kann
von einer Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung 810 angetrieben
sein. Die Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung
kann eine kleine Brennkraftmaschine sein, der von einer Brennstoffleitung 812 Brennstoff
zugeführt
wird, und die mit einer Eingangs-/Ausgangs-Signalleitung 814 gesteuert
wird. Das System kann so ausgebildet sein, daß ein Aktuator und eine Energieumwandlungseinrichtung
bei jeder Verbindungsstelle des Exoskelett-Rahmens angeordnet sind
und von Signalen von der Master-Steuereinheit 802 gesteuert
werden. Wahlweise kann das System so ausgebildet sein, daß eine oder
mehrere Master-Energieumwandlungseinrichtung(en)
in der zentralen Steuereinheit 802 zum selektiven Zuführen von
Energie zu den bei jeder Verbindungsstelle des Exoskeletts angeordneten
Aktuatoren angeordnet ist bzw. sind. Sensoren (nicht gezeigt) können an
verschiedenen Punkten des Exoskelettes befestigt sein, um die Bewegung
zu überwachen
und ein Feedback bereitzustellen. Ferner können Sicherheitseinrichtungen
wie beispielsweise (nicht gezeigte) Energieunterbrechungen umfaßt sein,
um die Sicherheit des den Exoskelett-Rahmen tragenden Personals
zu gewährleisten.
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Der
tragbare Exoskelett-Rahmen kann bei vielen Anwendungen verwendet
werden. Bei einem Ausführungsbeispiel
kann der Rahmen Militärpersonal
bei schwierigen oder gefährlichen
Aufgaben unterstützen.
Die energetisch autonome Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung kann es
ermöglichen,
daß übliche Primärenergiequellen
zum Erhöhen
der Stärke,
Ausdauer und Geschwindigkeit des Personals verwendet werden, ohne
daß es
erforderlich ist, daß das
Personal an eine primäre
Energiequelle angebunden ist. Der tragbare Rahmen kann die Personalstärke, die
bei gefährlichen
oder riskanten Aufgaben erforderlich ist, reduzieren, und kann die
von dem Personal beim Ausführen
derartiger Aufgaben erfahrene körperliche
Belastung vermindern. Der tragbare Rahmen kann ferner für anwendungsspezifische
Aufgaben ausgebildet sein, welche eine Belastung mit Strahlung,
Gas, chemischen oder biologischen Mitteln umfassen können.
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Der
tragbare Rahmen kann ferner zum Unterstützen von körperlich beeinträchtigten
Individuen beim Ausführen
anderweitig unmöglicher
Aufgaben, wie beispielsweise Sitzen, Stehen oder Laufen, verwendet
werden. Die Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung
kann als ein Leistungsverstärker
verwendet werden, welcher geringfügige Bewegungen und Kräfte in kontrollierte
erhebliche Bewegungen und Kräfte
verstärkt.
Ein strategisches Anordnen von Sensoren und Steuereinrichtungen
bei verschiedenen Positionen an den Rahmen ermöglicht es Individuen, die lediglich
in der Lage sind, sehr geringe Kräfte aufzubringen, die Bewegung
des Rahmens steuern. Da die Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung
energetisch autonom ist, können
körperlich
beeinträchtigte
Individuen Bewegungsfreiheit gegeben werden, ohne daß sie an
eine Energiequelle angebunden sind. Die Schnellansprech-Energieumwandlungseinrichtung
kann ferner in der Lage sein, die geringfügigen, diskreten, zum Imitieren
einer menschlichen Bewegung notwendigen Bewegung auszuführen. Sicherheitseinrichtungen
wie beispielsweise Energieunterbrecher können in dem System aufgenommen
sein, um eine ungewollte Bewegung des Rahmens und einen Schaden des
den Rahmen tragenden Individuums zu verhindern.
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Zusätzlich zu
den zuvor beschriebenen Anwendungen kann die vorliegende Erfindung
bei einer beliebigen Anzahl von Anwendungen verwendet werden, die
eine Schnellansprech-Energie benötigen, und
zwar ohne die Anwendung an eine Primärenergiequelle anzubinden.
Beispiele können
energiebetriebene Rollstühle,
Golfwagen, Automobile, Skateboards, Scooter, Ultraleichtflugzeuge
und andere motorisierte Fahrzeuge, und allgemein jede Anwendung,
welche mechanische Energie wirksam verwendet und welche von einer
energetischen Autonomie profitieren würde, umfassen.
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Es
ist verständlich,
daß die
zuvor beschriebenen Anordnungen lediglich veranschaulichend für die Anwendung
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche Modifikationen
und alternative Anordnungen können
von dem Fachmann entworfen werden, ohne von dem Sinn und dem Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und die beigefügten Ansprüche sollen
derartige Modifikationen und Anordnungen umfassen. Während die vorliegende
Erfindung in den Zeichnungen gezeigt wurde und oberhalb detailliert
in Verbindung damit beschrieben wurde, wovon zur Zeit angenommen wird,
daß es
das bzw. die brauchbarste bzw. brauchbarsten und bevorzugte bzw.
bevorzugten Ausführungsbeispiel(e)
der Erfindung sind, ist es für
den Fachmann klar, daß zahlreiche
Modifikationen, einschließlich
aber nicht beschränkt
auf eine Veränderung
der Größe, des
Materials, der Gestalt, der Form, der Funktion und der Betriebsweise,
der Anordnung und der Verwendung, vorgenommen werden können, ohne
von den Prinzipien und den Konzepten der Erfindung wie oberhalb
dargelegt abzuweichen.