DE60211517T2 - Schnell ansprechende energieumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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internal combustion
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C. Stephen Salt Lake City JACOBSEN
Marc Sandy OLIVIER
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • 2. Verwandte Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei Betrachtung der nachfolgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen deutlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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;
  • 2 zeigt eine Blockdarstellung im Zusammenhang mit verschiedenen schematischen Teilseitenansichten, welche verschiedene Formen der Energieübertragung über einen Energieübertragungsabschnitt des Schnellansprech-Energieextraktionssystems gemäß 1 zeigen;
  • 3 zeigt eine schematische Teilseitenansicht des Schnellansprech-Energieextraktionssystems, welche eine Kammer mit mehreren Räumen zeigt, und zwar gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindugn;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 7A zeigt eine grafische Darstellung der linearen Verschiebung des Sekundärkolbens hinsichtlich größerer und kleinerer Lasten, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 8 zeigt eine schematische Teilseitenansicht des Schnellansprech-Energieextraktionssystems, welche ein System ohne Verbrennung zeigt, und zwar gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 zeigt eine Vorderansicht einer repräsentativen Verwendung der vorliegenden Erfindung, wie sie bei einem tragbaren Exoskelett-Rahmen verwendet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (17)

  1. Brennkraftmaschine mit einer Kammer, die einen Kolben mit einer Masse aufweist, mindestens einer Fluidöffnung, die an die Kammer angeschlossen ist, um der Kammer Fluid zuzuführen, und einer Auslaßöffnung, wobei der Kolben und die mindestens eine Fluidöffnung so ausgebildet sind, daß sie die Kammer mit einem variablen Druck beaufschlagen, wobei der Kolben und das Fluid so ausgebildet sind, daß sie die Verbrennung mindestens teilweise unterstützen, um Energie aus der Verbrennung in einem Verbrennungsabschnitt der Kammer zur Verfügung zu stellen; einer Steuereinrichtung zum Steuern der Verbrennung in der Kammer; einer Schnellansprech-Komponente in Fluidverbindung mit der Kammer, wobei die Schnellansprech-Komponente eine Schnellansprech-Masse aufweist, die wesentlich kleiner ist als die Masse des Kolbens und neben dem Verbrennungsabschnitt der Kammer liegt, wobei die Schnellansprech-Komponente einen Teil der Energie aus der in der Kammer stattfindenden Verbrennung abzieht; und wobei die Kammer einen ersten und einen zweiten Raum mit einem dazwischen liegenden Trennabschnitt aufweist, wobei der erste Raum den Kolben und der zweite Raum die Schnellansprech-Komponenten enthält, wobei der Trennabschnitt eine Öffnung definiert, die sich zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum erstreckt.
  2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schnellsprech-Komponente einen Senkundärkolben umfaßt, der in der Kammer angeordnet ist, wobei der Sekundärkolben einen Energieaufnahmeabschnitt und einen Energieübertragungsabschnitt aufweist, wobei der Energieaufnahmeabschnitt den besagten Teil der Energie aus der in der Kammer stattfindenden Verbrennung abzieht.
  3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Energieübertragungsabschnitt den besagten Teil der Verbrennungsenergie in eine mindestens Energieform [überträgt] transformiert, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die hydraulische Energie, pneumatische Energie, elektrische Energie und mechanische Energie enthält.
  4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, ferner mit einem Sekundärenergieumwandlungssystem, das mit dem Energieübertragungsabschnitt des Sekundärkolbens betriebsmäßig gekoppelt ist, wobei das Sekundärenergieumwandlungssystem ausgewählt ist aus der Gruppe, die hydraulische Systeme, pneumatische Systeme, elektrische Generatorsysteme und mechanische Systeme enthält.
  5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung eine Zündfunkenquelle aufweist, die die Verbrennung in der Kammer mindestens teilweise unterstützt.
  6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schnellansprech-Komponente eine Bandbreite zur Verfügung stellt, die größer ist als die direkte Bandbreite, die direkt von dem Kolben der Brennkraftmaschine geliefert wird.
  7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schnellansprech-Komponente den besagten Teil der Energie aus der Kammer während einer Zeitspanne abzieht, die direkt nach der Verbrennung beginnt und endet, bevor der Kolben in eine Position mitten zwischen einer oberen Todpunktlage und einer unteren Todpunktlage reziprokiert.
  8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Kammer mindestens einen der Kolben und den Sekundärkolben aufnimmt.
  9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der zweite Raum den Sekundärkolben enthält.
  10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei das Fluid von dem Kolben mindestens teilweise in den zweiten Raum hineingedrückt wird, wobei die Steuereinrichtung eine Zündfunkenquelle aufweist, die die Verbrennung im zweiten Raum mindestens teilweise unterstützt.
  11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Kolben im wesentlichen kontinuierlich in der Kammer hin und her geht.
  12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung die Verbrennung an vorgewählten Zyklen eines oder mehrerer Zyklen initiiert, wobei die vorgewählten Zyklen nicht-kontinuierlich sind, verglichen mit denen des Kolbens, der sich im wesentlichen kontinuierlich in der Kammer hin und her bewegt.
  13. Verfahren zum Abziehen zusätzlicher Energie aus einer Brennkraftmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Zurverfügungstellen einer Kammer, die einen ersten und einen zweiten Raum mit einem dazwischen liegenden, eine Öffnung definierenden Trennabschnitt aufweist, eines Kolbens mit einer Masse in dem ersten Raum und mindestens einer Fluidöffnung, die an die Kammer angeschlossen ist, um der Kammer Fluid zuzuführen, und einer Auslaßöffnung, wobei der Kolben und die mindestens eine Fluidöffnung so ausgebildet sind, daß sie die Kammer mit einem variablen Druck beaufschlagen, wobei der Kolben in dem ersten Raum zwischen einer oberen Todpunktlage und einer unteren Todpunktlage hin und her geht, wobei jede hin und her gehende Bewegung des Kolbens einen Zyklus definiert, wobei der Kolben und das Fluid so ausgebildet sind, daß sie die Verbrennung mindestens teilweise unterstützen, um Energie aus der Verbrennung in einem Verbrennungsabschnitt der Kammer zur Verfügung zu stellen; Zurverfügungstellen einer Schnellansprech-Komponente mit einer Schnellansprech-Masse, die wesentlich kleiner ist als die Masse des Kolbens; Positionieren der Schnellansprech-Komponente in Fluidverbindung mit der Kammer und neben dem Verbrennungsabschnitt der Kammer; und Steuern der Verbrennung in der Kammer mittels einer Steuereinrichtung, die an die Kammer angeschlossen ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schnellansprech-Komponente so ausgebildet wird, daß sie einen Teil der Energie aus der in der Kammer stattfindenden Verbrennung abzieht, und zwar direkt nach der Verbrennung und bevor der Kolben mitten zwischen der oberen Todpunktlage und der unteren Todpunktlage positioniert ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schnellansprech-Komponente so ausgebildet wird, daß sie einen Hauptanteil des besagten Teils der Energie aus der Kammer innerhalb 45° des Abstiegsweges des Kolbens aus der oberen Todpunktlage heraus abzieht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schnellansprech-Komponente so ausgebildet wird, daß sie mindestens 90% des besagten Teils der Energie aus der Kammer innerhalb 45° des Abstiegsweges des Kolbens aus der oberen Todpunktlage heraus abzieht.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung so gesteuert wird, daß sie die Verbrennung in der Kammer an ausgewählten Zyklen eines oder mehrerer Zyklen des Kolbens stattfinden läßt, und zwar derart, daß die ausgewählten Zyklen nicht-kontinuierlich sind, verglichen mit denen des Kolbens, der sich kontinuierlich in der Kammer hin und her bewegt.
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