JP2013533411A - 集成体、特に、複合エンジン、発電機またはコンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】集成体を洗練すること。
【解決手段】ピストンモータ部(28)および電動モータ部(26)が配置されたハウジング(12)を備えた集成体(10)、特に、複合エンジン、発電機またはコンプレッサであって、前記ピストンモータ部(28)が、第１の端面(38)を有する第１のピストン(30)と、第２の端面(40)を有する少なくとも１つの第２のピストン(32)とを有し、前記第１のピストン(30)および前記少なくとも１つの第２のピストン(32)が、往復運動を行い、作用媒体用の作用チャンバ(42)が、前記第１の端面(38)と前記第２の端面(40)との間に設けられ、この作用チャンバが、前記ピストン(30,32)の往復運動により周期的に拡縮され、前記電動モータ部(26)が、前記ハウジングに対して固定された回転軸(64)を中心として前記ハウジング(12)内で回転可能な環状回転子(88)を有する集成体。前記回転子(88)は、前記ピストンモータ部(28)を取り囲んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンモータ部および電動モータ部が配置されたハウジングを備えた集成体、特に、複合エンジン、発電機またはコンプレッサであって、ピストンモータ部が、第１の端面を有する第１のピストンと、第２の端面を有する少なくとも１つの第２のピストンとを有し、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンが、往復運動を行い、作用媒体用の作用チャンバが、第１の端面と第２の端面との間に設けられ、この作用チャンバが、ピストンの往復運動により周期的に拡縮され、電動モータ部が、ハウジングに対して固定された回転軸を中心としてハウジング内で回転可能な環状回転子を有する集成体に関する。

冒頭に記載のタイプの集成体は、下記特許文献１により公知である。
特許文献１により公知の集成体は、発電機としても使用可能な複合エンジンとして形成されている。
従来の複合駆動装置は、通常、燃焼エンジンと電動モータとを組み合わせたものである。現在重要視されているこの様な複合駆動装置は、例えば、郊外交通や高速道路において燃焼エンジンを使用する一方で、都市交通においては低排気電気駆動装置を使用することができるという利点がある。

従来の複合駆動装置は、直線移動ピストンを有する往復ピストンエンジンとして形成された燃焼エンジンに基づいており、例えば、ピストンは直線的またはＶ字状に配列されているのに対して、冒頭に引用の文献により公知になっている複合エンジンにおいては、燃焼エンジンの役割を果たすピストンモータ部は、球形エンジンの２つの半体で形成され、ピストンは、ハウジング内において回転軸を中心として回転するようになっており、電動モータ部は、球形エンジンの２つの半体の間に配置されている。この公知の複合エンジンは、球形エンジンの２つの半体からなる電動モータ部が共通ハウジング内にサンドイッチ配置で収容されているので、従来の複合駆動装置と比較して、回転子の回転軸の方向に関して比較的短く構成されているが、この様な複合エンジンに関して更に小型の構造が必要である。

独国特許出願公開第１０ ２００５ ０６２ ５２９ Ｂ４号明細書

本発明の集成体は、複合エンジンに限定されず、単に発電機またはコンプレッサとして設計することもできる。
本発明は、特に、電動モータ部の回転子の回転軸の方向に関して集成体を短く構成するという点で、冒頭に引用のタイプの集成体を洗練するという目的に基づいている。
本発明によれば、回転子がピストンモータ部を取り囲んでいるという点で、冒頭に引用の集成体に関するこの目的が達成される。

したがって、本発明に係る集成体は、電動モータ部およびピストンモータ部の直線的な配列の代わりに、内側のピストンモータ部および外側の電動モータ部の連結構成を設けた構造を有し、ここでもピストンモータ部および電動モータ部が、共通ハウジングに収容されている。したがって、この様な組立体に係る集成体は、公知の集成体よりも、回転子の回転軸の方向に関して実質的に短く構成されている。

本発明に係る集成体が複合エンジンとして設計されている場合、ピストンモータ部は、燃焼エンジンとして設計されており、燃料空気混合気の吸気と圧縮、および、燃焼した燃料空気混合気の膨張と排除のために、カルノーサイクルが、作用チャンバにおいて２つのピストンの２つの端面の間で起こるようになっている。下記で詳述するように、この複合エンジンの電動モータ部は、燃焼エンジンの停止時には車両の電動モータ駆動装置としての役割を果たし、燃焼エンジンの作動時には発電機としての役割を果たすことができる。

複合エンジンとして設計する場合、車両において本発明に係る集成体を使用することができる。
更に有利な使用法において、複合エンジンとして設計する場合、電気エネルギーおよび圧縮空気を同時または交互に生成するために、本発明に係る集成体を風力発電所において使用することができ、この用途においては、ピストンモータ部はコンプレッサとして動作する。

集成体を単に発電機として設計する場合、ピストンモータ部は、燃焼エンジンとして形成され、例えば、車両の電動モータに電源供給したり、電動モータの電池を充電したりするために、ケーブルを介して集成体により受電可能な電気エネルギーを生成する電動モータ部を駆動する役割を果たす。この様な集成体は、レンジ延長装置（ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）としても公知であり、電気エネルギーを提供する燃焼エンジンの動作に更に組み込むことによって、電動モータを取り付けた車両のレンジを延ばす役割を果たす。電動モータ部は、燃焼エンジンを始動する役割も果たし、すなわち、スタータモータとしての役割も果たし、この場合、複合エンジンとしての集成体の設計に関わる上記の場合にも適用される。

上記のように、車両の発電機としての本発明の集成体の使用法と同様に、本発明に係る集成体は、建物におけるエネルギー供給のためにも使用することができる。この場合、ピストンモータ部を使用して電動モータ部を介して発電し、建物に電力を供給する一方、ピストンモータ部からの廃熱を利用して、建物を暖房する。したがって、電気／熱太陽電池または蓄積装置と共に、本発明に係る集成体により、建物の完全なエネルギー供給を達成することができる。

本発明に係る集成体をコンプレッサとして設計する場合、電動モータ部は、ピストンモータ部を駆動する役割を果たす。そして、ピストンモータ部を燃焼エンジンとしてではなくコンプレッサとして設計し、作用チャンバにおいて、作用媒体、例えば、吸気された空気を圧縮し、加圧媒体として放出する。
好適な改良態様において、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンは、回転軸を中心として一体的に回転可能であり、ピストンの往復運動は、回転軸を中心とした回転運動から誘導され、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンは、回転軸を中心としてピストンと共に回転するピストンケージ内に配置され、回転子は、ピストンケージに結合しているか、あるいは、ピストンケージに回転可能に連結固定可能となっている。

電動モータ部の回転子がピストンケージに回転可能に結合固定されている、より単純な改良態様においては、集成体は、特に、純粋な発電機として適しており、燃焼エンジンとして形成されたピストンモータ部を始動するため、および、燃焼エンジンを作動した状態で電動モータ部を駆動するために、電動モータ部の回転子とピストンモータ部のピストンケージとの間に、固定継手が常に存在している。

電動モータ部の回転子をピストンケージに回転可能に連結固定可能な別の改良態様においては、集成体により、燃焼エンジンとして設計されたピストンモータ部を介して、または、電動モータとして機能する電動モータ部によって、互いに独立して車両用の駆動エネルギーを生成できるので、集成体は、複合エンジンとして好適である。また、電動モータ部は、ピストンモータ部用のスタータとしての役割も果たす。

回転子をピストンケージに回転可能に連結固定可能な上記の改良態様に関連して、回転子は、好ましくは継手を介してピストンケージに回転可能に連結固定可能であり、継手の開成時に、回転子は、ピストンケージから連結解除される。この改良態様は、集成体を複合エンジンとして使用する場合に好適である。
この様な継手は、流体継手として設計されていることが好ましい。

回転子が出力軸に結合している場合は、更に好ましい。
この改良態様は、車両を駆動するために回転子からの回転エネルギーを電動モータ部で使用できるので、複合エンジンとしての組立体の設計にも有利である。回転子とピストンケージとの間の前記継手が閉成されて、車両を駆動するための駆動エネルギーが、燃焼エンジンとして設計されたピストンモータ部により提供される場合、同一の出力軸が、回転軸を中心としたピストンケージの回転を駆動エネルギーとして与える役割を果たし、その一方で、電動モータの回転子も回転し、電動モータ部は、例えば、車両バッテリーを充電するために電気エネルギーを生成する発電機として交流発電機のように作動する。

更に好適な改良態様において、ピストンの往復運動は、カーブ素子によって回転運動から誘導され、カーブ素子は、制御カーブを有し、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンを環状に取り囲み、回転軸を中心としてピストンケージと共に回転せず、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンは、それぞれ、回転軸を中心としたピストンの回転時に制御カーブに沿って案内される少なくとも１つの作動素子を有する。

往復運動が回転軸を中心としたピストンの回転運動から誘導される集成体の改良態様の代替として、更に好適な改良態様においては、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンが、回転軸を中心として回転せず、ピストンの往復運動が、回転軸を中心としたカーブ素子の回転運動から誘導され、この素子が、制御カーブを備え、前記第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンを環状に取り囲み、回転子が、カーブ素子に結合しているか、あるいは、カーブ素子に回転可能に連結固定可能であることが提案されている。

上記の両改良態様は、電動モータ部およびピストンモータ部が半径方向に連結された本発明の集成体の設計により、構成的に単純な方法で達成することもできる。
上記の両改良態様において、各作動素子が球体として構成され、この球体が、第１および第２の端面とは反対側において、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンの背面側に、各球体ソケットに自由回転可能に取り付けられていると更に好ましい。

作動素子、関連するピストンの背面側の球体ソケット、カーブ素子の制御カーブの配置形状は、球体が制御カーブに沿って移動したときに、球体に剪断力が負荷されず、ピストンの背面側と球体ソケットと制御カーブとの間の力線が、関連するピストンの球体ソケットベースに可能な限り垂直となり、球体の中心を貫通するように選択されることが好ましい。その結果、各球体は、球体ソケットの中心にある制御カーブ上で転動可能となる。

更に好適な改良態様において、第３の端面を有する第３のピストンと、第４の端面を有する第４のピストンとが、ハウジング内に配置されており、第３のピストンおよび第４のピストンが、往復運動を行い、流体用の更なる作用チャンバが、第３の端面と第４の端面との間に設けられ、この作用チャンバが、第３および第４のピストンの往復運動により周期的に拡縮される。

この改良態様において、本発明に係る集成体は、４つのピストンにより形成されたピストンモータ部が、電動モータ部の内部に配置され、それにより取り囲まれているので、軸方向の寸法が実質的に短い構造であっても、公知の複合エンジンと同数のピストンを有している。
ここでは好ましくは、第１のピストンおよび第３のピストンが一体的に結合し、そして、第２のピストンおよび第４のピストンが一体的に結合して、作用チャンバおよび更なる作用チャンバが互いに対向して拡縮されるようになっている。

この改良態様においては、この様に、第１のピストンおよび第３のピストンは、ダブルピストンを形成し、第２のピストンおよび第４のピストンも、ダブルピストンを形成する。
個々のピストンとしての４つのピストンの設計と比較すると、この方策の利点は、第１および第３のピストンの間、そして、第２および第４のピストンの間に、往復運動において相互引き込み／吸い込み効果が存在するということである。

更に好適な改良態様において、第１または第２のピストンの往復運動が、枢軸を中心とした枢動運動であり、第１のピストンおよび少なくとも１つの第２のピストンが、枢軸に保持され、取り付けられている。
この方策は、ピストンの摺動摩擦、および、ピストンの往復運動による発熱を低減できるという利点を有する。これは、特に、ピストンが往復運動を行うだけではなく、同時に回転軸を中心として回転する場合に有利であり、これにより、この場合、特に高回転速度の場合に、発生した大きな遠心力によりピストンの摺動摩擦が増大することはない。

更なる利点および特徴は、下記の説明および添付の図面から明らかになる。
上記および下記の特徴は、所与の組み合わせだけでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組み合わせや単独でも使用できることは明白である。
本発明の例示的な実施形態を、図面に示し、それを参照して、下記で更に詳細に説明する。図面の説明は以下の通りである。

発電機としての構成の集成体の第１の実施形態を閉ハウジングと共に斜視図で示す。 集成体の電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う縦断面図で、図１の集成体を示し、集成体のピストンモータ部のピストンを第１の位置に示す。 電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図１、図２の集成体を示し、ピストンを別の位置に示す。 電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図１〜図３の集成体を示し、ピストンを更に別の位置に示す。 図１の集成体を車両のシャシーに取り付けた例の概略図を示す。 複合エンジンとしての構成の集成体の別の実施形態を示し、集成体を閉ハウジングと共に斜視図で示す。 集成体の電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図６の集成体を示す。 第１の動作位置における図６、図７の集成体の詳細を横断面図で示す。 第２の動作位置における図８の詳細を示す。 駆動／出力軸と共に、図６、図７の集成体の電動モータ部の回転子を斜視図で示す。 図６、図７の集成体を車両のシャシーの取り付けた例の図を示す。 コンプレッサとしての構成の集成体の第３の実施形態を閉ハウジングと共に斜視図で示す。 集成体の電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図１１の集成体を示し、集成体のピストンモータ部のピストンを第１の位置に示す。 電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図１１、図１２の集成体を示し、ピストンを第２の位置に示す。 電動モータ部の回転子の回転軸を含む平面に沿う断面図で、図１１〜１３の集成体を示し、ピストンを第３の位置に示す。 図１、図６、図１１の集成体のピストンモータ部の代替として、ピストンモータ部の更なる実施形態を示し、ピストンモータ部のピストンケージの第１の半体を取り除いた状態で、ピストンモータ部を示す。 図１５のピストンモータ部を示し、ピストンモータ部のピストンケージの第２の半体を取り除いた状態である。 図１５、図１６のピストンモータ部を示し、ピストンモータ部のピストンケージの２つの半体を結合した状態で示す。

図１〜図４は、集成体１０の第１の実施形態を示す。この実施形態の集成体１０は、発電機として設計されており、下記のとおり、車両駆動装置においていわゆるレンジ延長装置として使用することができる。
集成体１０は、２つの円筒ハウジング部分１４、１６と、２つの底面部分１８、２０と、２つの端部カバー２２、２４とを備えたハウジング１２を有する。

電動モータ部２６およびピストンモータ部２８が、ハウジング１２内に配置されている。
先ず、ピストンモータ部２８について、以下に詳述する。
ピストンモータ部２８は、合計４つのピストン、すなわち、第１のピストン３０と、第２のピストン３２と、第３のピストン３４と、第４のピストン３６とを有する。

第１のピストン３０および第２のピストン３２は、第１の端面３８および第２の端面４０を有し、これらの間に、作用媒体のための第１の作用チャンバ４２が形成されている。
同様に、第３のピストン３４および第４のピストン３６は、第３の端面４４および第４の端面４６を有し、これらの間に、作用気体のための第２の作用チャンバ４８が配置されている。

ピストンモータ部２８の動作において、第１のピストン３０および第２のピストン３２は、互いに対向して往復運動を行い、この様な運動は、枢軸５０を中心とした枢動運動として行われる。同様に、ピストン３４、３６は、互いに対向して往復運動を行い、ここでも、同じ枢軸５０を中心とした枢動運動である。
第１のピストン３０は、ここでは強固に第３のピストン３４に結合し、第２のピストン３２および第４のピストン３６も、一体的に強固に結合している。

その結果、作用チャンバ４２の容積が拡張すると、第２の作用チャンバ４８の寸法が減少し、その逆も同様である。図２においては、第１の作用チャンバ４２は、最大容積を有するものとして示され、第２の作用チャンバ４８は、最小容積を有するものとして示されており、図４においては、その逆が示されている。すなわち、図４のピストン３０〜３６の位置において、第２の作用チャンバ４８は、その最大容積を有し、第１の作用チャンバ４２は、その最小容積を有する。

集成体１０において、ピストンモータ部２８は、燃焼エンジンとして形成される。作用チャンバ４２、４８において、燃料空気混合気の吸気と圧縮、および、燃焼した燃料空気混合気の動作と排除のために、カルノーサイクルが実行される。したがって、スパークまたはグロープラグ５２、５４が、作用チャンバ４２、４８に割り当てられる。また、新鮮な空気のための吸気口５６と、排気のための排気口５８と、燃料供給のためのノズル（詳細には図示せず）とが、第１の作用チャンバに割り当てられている。同様に、排気口６０と、吸気口６２とが、第２の作用チャンバ５８に割り当てられている。

ピストンモータ部２８の動作において、ピストン３０〜３６は、ハウジングに関連して固定された回転軸６４を中心としてハウジング１２内で回転し、ピストン３０〜３６の往復運動は、回転軸６４を中心とした回転運動から誘導される。
回転軸６４を中心としたピストン３０〜３６の回転運動からピストン３０〜３６の往復運動を誘導するために、ピストンモータ部２８は、カーブ素子６６を有し、このカーブ素子６６は、環状にピストン３０〜３６を取り囲んでいる。カーブ素子６６は、２つの制御カーブ、すなわち、第１の制御カーブ６８と、第２の制御カーブ７０とを有し、これらの制御カーブは、ピストン３０〜３６の様々な位置を示す図２〜４の比較から明らかなように、ピストン３０〜３６の往復運動を生成するために、回転軸６４を中心として周方向に相応する輪郭を有する。

各ピストン３０〜３６は、 関連する端面３８〜４６とは反対側の背面において、球体７２（ピストン３０）、球体７４（ピストン３２）、球体７６（ピストン３４）、球体７８（ピストン３６）の形態の作動素子を有する（ただし、図１１〜１４を参照）。球体７２〜７８は、詳細には示されていないが、ピストン３０〜３６上において、対応する球体ソケット内で自由回転可能に配置されている。ピストン３０〜３６が、回転軸６４を中心として回転すると、球体７２〜７８が、制御カーブ６８〜７０に沿って移動し、枢軸５０に関連してピストン３０〜３６の往復運動を生成する。枢軸５０は、ここでも回転軸６４と同様に幾何的な軸を意味し、回転軸６４を中心として回転する。

図面のより簡単な理解のために、図２〜図４においてピストン３０〜３６を図面平面に示し、ハウジング１２を回転軸６４に関連して様々な回転位置に示す。しかし、回転軸６４を中心として回転するのは、ハウジング１２ではなく、ピストン３０〜３６であることは明白である。
既述のように、図２は、作用チャンバ４２がその最大容積を有し（ピストン３０、３２の上死点位置）、第２の作用チャンバ４８がその最小容積を有する（ピストン３４、３６の下死点位置）場合のピストン３０〜３６の位置を示し、図３は、ピストン３０、３２が、図２から始まって互いに近接する方向に移動し、ピストン３４、３６が互いに離反する方向に移動した場合のピストン３０〜３６の位置を示し、図４は、第１の作用チャンバ４２が、この時点でその最小容積を有し、第２の作用チャンバ４８がその最大容積を有する場合のピストン３０〜３６の位置を示す。

ピストンモータ部２８は、さらに、ピストンケージ８０を有し、このピストンケージ８０において、ピストン３０〜３６は、枢軸５０に関連して往復運動を行えるように摺動可能に取り付けられており、このピストンケージ８０は、ハウジング内でピストン３０〜３６と共に回転軸６４を中心として回転する。
次に、集成体１０の電動モータ部２６について詳述する。

電動モータ部２６は、巻線８４および磁芯８６を備えた固定子８２を有する。巻線８４および磁芯８６を備えた固定子８２は、ハウジングに関連してハウジング１２内に配置されている。
電動モータ部２６は、さらに、回転子８８を有し、この回転子８８は、集成体１０のピストンモータ部２８が動作中のときに、ピストンケージ８０およびピストン３０〜３６と共に回転軸６４を中心としてハウジング１２内で回転する。

ここで、回転子８８は、環状にピストンモータ部２８を取り囲み、これにより、ピストンモータ部２８は、電動モータ部２６の回転子８８の内部に配置される。
回転子８８は、ここでは、回転軸６４に対して半径方向に延びる突起９０、９２を介してピストンケージ８０に回転可能に結合固定されており、これらの突起９０、９２は、ピストンケージ８０上に底面部分１８の軸側に設けられている。

回転子８８およびピストンケージ８０は、このように一体的に組立体を構成し、この組立体は、集成体１０が動作中のときに回転軸６４を中心として回転する。
回転子８８は、半径方向外側の複数の磁気リング９６を有し、これらの磁気リング９６は、それぞれ多数の個々の磁石を担持して、固定子８２の磁芯８６と協働する。
燃焼エンジンとして形成されたピストンモータ部２８を始動するために、電動モータ部２６は、回転軸６４を中心として回転子８８を回転させるために、外部（ケーブル９８）から電気エネルギー供給を受ける。そして、この回転によって、燃焼エンジン（ピストンモータ部２８）が始動し、燃焼エンジンの始動後、電動モータ部２６は発電機としての役割を果たし、電気エネルギーを供給する。

したがって、図１によれば、集成体１０は、ケーブル９８を備え、このケーブル９８を介して電気エネルギーを電動モータ部２６から取ることができる。
回転子８８は、制御センサ１００（図４参照）をさらに有し、この制御センサ１００は、ピストンモータ部２８のエンジン管理のための「６０−２」歯付制御輪１０２と協働する。

さらに、回転子８８は、環状玉軸受１０３、１０５を介してカーブ素子６６に取り付けられ、ピストンケージ８０は、環状玉軸受１０７、１０９を介してハウジング１２に取り付けられている。
図５は、車両のシャシー１０４における集成体１０の据付位置を示す。集成体は、ケーブル９８を介して第１の調節装置１０６に接続され、そして、この第１の調節装置１０６は、ケーブル１０８、１１０を介して蓄電池１１２、１１４に接続されている。蓄電池１１２、１１４は、ケーブル１１８、１２０を介して第２の調節装置１１６に接続され、第２の調節装置１１６は、駆動輪１３０、１３２、１３４、１３６を駆動するために車輪ハブモータ１２２、１２４、１２６、１２８に接続されている。集成体１０は、車輪ハブモータ１２２〜１２８の動作期間を延長するために、蓄電池１１２、１１４を充電する役割を果たす。この場合、集成体１０は、この様にレンジ延長装置としての役割を果たす。

第２の調節装置１１６に作用する車両乗員室の制御素子１３８を介して、必要に応じて集成体１０をスイッチオンすることができる。
更に興味深い集成体１０の使用法は、集成体１０を電気／熱太陽電池または蓄積装置と共に適用すると、建物の完全なエネルギー供給を達成できる。この場合、ピストンモータ部２８は、電動モータ部２６を駆動するために、燃料により点火され、電動モータ部２６は、建物の電源供給のために電気エネルギーを生成する。ピストンモータ部２８からの廃熱も、加熱目的に使用することができる。燃焼エンジンとして形成されるピストンモータ部２８を始動する電気エネルギーは、例えば、建物の屋上の太陽電池により供給される電力により、供給することができる。

次に、図６〜図１０を参照して、集成体１０’の更なる実施形態について説明する。集成体１０’は、集成体１０の改良態様として、複合エンジンとして設計されている。
集成体１０’において、集成体１０の対応する部材と同一または同様の部材は、集成体１０の部材と同じ参照番号に「’」を補ったもので示す。
下記において別途指定がない限り、集成体１０の説明は、集成体１０’にも適用される。

集成体１０’は、電動モータ部２６’およびピストンモータ部２８’をハウジング１２’内に有する。
ピストンモータ部２８’は、４つのピストン３０’、３２’、３４’、３６’を有し、その設計は、集成体１０のピストン３０、３２、３４、３６に対応する。
ピストン３０’、３２’は、第１の作用チャンバ４２’を形成し、ピストン３４’、３６’は、第２の作用チャンバ４８’を形成する。

ピストン３０’、３２’は、ハウジング１２’内で往復運動を行うが、この様な往復運動は、枢軸５０’を中心とした枢動運動として実行される。同様に、ピストン３４’、３６’は、枢軸５０’に関連して、互いに対向する往復運動を枢動運動として実行する。
ハウジング１２’内のピストン３０’〜３６’は、ハウジングに関連して固定された回転軸６４’を中心として回転する。回転軸６４’を中心とした回転運動からピストン３０’〜３６’の往復運動を誘導するために、ピストンモータ部２８’は、２つの制御カーブ６８’、７０’を備えたカーブ素子６６’をさらに有する。

ピストン３０’、３２’は、球体７２’、７４’の形態の作動素子によって制御カーブ６８’内で案内され、ピストン３４’、３６’は、カーブ素子６６’の制御カーブ７０’に沿って球体７６’、７８’の形態の作動素子によって案内される。
ピストン３０’〜３６’は、ピストンケージ８０’内に摺動可能に取り付けられており、ピストンケージ８０’は、ピストン３０’〜３６’と共に、ハウジング１２’内で回転軸６４’を中心として回転する。

電動モータ部２６’は、巻線８４’および磁芯８６’を備えたる固定子８２’を有する。固定子８２’は、ハウジング１２’内で静止状態で配置されている。
電動モータ部２６’は、さらに、環状にピストンモータ部２８’を取り囲む回転子８８’を有する。
集成体１０とは対照的に、回転子８８’は、ピストンモータ部２８’のピストンケージ８０’に持続的に回転可能に連結固定されているわけではなく、回転子８８’は、ピストンケージ８０’に回転可能に連結固定可能である。

このために、継手１４０が、ハウジング１２’内に配置され、流体継手として形成されている。
図８、図９において、継手１４０のみを、図７に対して拡大して示す。継手１４０は、円錐形の継手リング１４２を有し、この継手リング１４２は、継手１４０の閉状態では、回転子８８’をピストンケージ８０’に回転可能に連結固定する。図８は、継手１４０の閉位置を示し、図９は、継手１４０の開位置を示し、この開位置においては、回転子８８’は、ピストンケージ８０’に回転可能に連結固定されない。

継手１４０は、回転軸６４’を中心として周方向に配置され、液圧シリンダ１４６および液圧ピストン１４８を有する複数の液圧駆動装置１４４、例えば、６つの液圧駆動装置１４４（図６を参照）を有する。
図９に示すように、圧縮ばね１５０が、その開位置において、継手リング１４２に予め張力を与える。

継手リング１４２は、環状玉軸受１５２を介して、回転軸６４’を中心として回転方向に回転可能にハウジング１２’に、より厳密には底面部分１８’に取り付けられている。、
液圧ピストン１４８の表面１５４に液圧を付与することによって、液圧ピストン１４８は、継手リング１４２に作用してこれを閉位置に移動させ、回転子８８’をピストンケージ８０’に回転可能に連結固定する。表面１５４とは反対側の表面１５６に対してピストン１４８に液圧を付与することによって、ピストン１４８は、図９の右側に移動し、これにより、圧縮ばね１５０は、閉位置から開位置へと継手リング１４２を移動させて、回転子８８’が、もはやピストンケージ８０’に回転可能に連結固定されないようにする。

更なる態様によれば、特に、磁石リング９４’、９６’を有する回転子８８’を示す図１０に示すように、回転子８８’には、回転軸６４’を中心として延びる斜行歯付の冠歯車１６０が取り付けられている。図１０は、ピストンモータ部２８’のエンジン管理のための制御センサ１００の「６０―２」冠歯車１０２’も示す。
回転子８８’の冠歯車１６０は、駆動／出力軸１６２と噛合している。

継手１４０の閉成時には、ピストンケージ８０’は、この様にして駆動／出力軸１６２に連結され、ピストンケージ８０’の回転運動が、駆動／出力軸１６２の回転運動に変換されるようになっている。
集成体１０’が電動モータとして動作する場合、継手１４０は、開成され、回転子８８’のみが駆動／出力軸１６２に連結されるようになっている。

継手１４０の閉成時には、電動モータ部２６’は、車両のバッテリーを充電するための発電機として機能する。
図１０ａは、車両のシャシー１０４’における集成体１０’の据付位置を例示する。集成体１０’は、歯車機構１６４を介して車両の車輪１３４’、１３６’を駆動するために、駆動／出力軸１６２を介して歯車機構１６４に接続されている。次に、集成体１０’は、ケーブル９８’を介して調節装置１０６’に接続され、調節装置１０６’は、ケーブル１０８’、１１０’を介して蓄電池１１２’、１１４’に接続されている。

複合エンジンとして形成された集成体１０’は、この様にして、燃焼エンジンとして形成されたピストンモータ部２８’を介して従来の方法で車輪１３４’、１３６’を駆動することができる。また、電動モータとしての集成体１０’は、電動モータ部２６’により駆動／出力軸１６２を介して車輪１３４’、１３６’を駆動することができる。次に、集成体１０’が燃焼エンジンとしてのみ動作する場合には、電動モータ部２６’を介して蓄電池１１２’、１１４’、すなわち、車両バッテリーを充電することができる。

制御素子１３８’を介して、集成体１０’の様々な動作モードをスイッチオンしたり、始動したりすることができる。
上記の車両における集成体１０’の使用法に加えて、集成体１０’は、電気エネルギーおよび圧縮空気を同時または交互に生成するために使用することもでき、この場合、電動モータ部２６’およびピストンモータ部２８’は、風力エネルギーによって駆動される。この用途において、駆動／出力軸１６２は、機械的に風車輪に接続されている。継手１４０の閉成時には、風車輪は、駆動／出力軸１６２を介してピストンケージ８０’を駆動し、これにより、ピストンモータ部２８’が、コンプレッサのように圧縮空気を生成する。同時に、継手１４０の閉成時に、電動モータ部２６’が発電するように、回転子８８’を回転させる。この用途では、ピストンモータ一部２８’は点火されないので、スパークプラグは省略される。

継手１４０の開成時には、電動モータ部２６’のみが、駆動／出力軸１６２を介して駆動されて発電するが、ピストンモータ部２８’は停止状態である。
図１１〜図１４を参照して、集成体１０”の更なる実施形態について以下に説明する。ここでは、集成体１０”は、コンプレッサとして設計されている。
集成体１０”において、集成体１０の対応する部材と同一または同様である部材は、集成体１０の部材と同じ参照番号に「”」を補ったもので示す。

下記で別途指定がない限り、集成体１０の説明は、集成体１０”にも適用される。
集成体１０”は、電動モーター部２６”およびピストンモータ部２８”をハウジング１２”内に備えている。
以下、ピストンモータ部２８”について詳述する。
ピストンモータ部２８”は、合計４つのピストン３０”、３２”、３４”、３６”を有する。ピストン３０”、３４”は、一体的に強固に結合して第１のダブルピストンを形成し、ピストン３２”、３６”も、一体的に強固に結合して第２のダブルピストンを形成する。

ハウジング１２”内のピストン３０”、３２”は、互いに対向して往復運動を行い、この様な往復運動は、枢軸５０”を中心とした枢動運動として実行される。同様に、ピストン３４”、３６”も、枢軸５０”を中心として互いに対向して往復運動を行う。
集成体１０および集成体１０’とは対照的に、ピストン３０”〜３６”は、ハウジング内において回転軸６４”を中心として回転せず、常に、同一平面内で（ここでは、図１２〜図１４の図面平面内で）、前記の往復運動を行う。したがって、図１２〜図１４のハウジング１２”は、常に同じ向きで示されている。また、ピストンモータ部２８”は、ピストンケージを有さず、ピストンは、ハウジング１２”内にその内壁に対向して直接配置されている。

ピストン３０”、３２”は、ここでは作用チャンバ４２”を形成し、ピストン３４”、３６”は、更なる作用チャンバ４８”を形成する。
集成体１０”の作用チャンバ４２”、４８”において、カルノーサイクルの行程は全く実施されず、作用チャンバ４２”において、気体（例えば、空気）を吸気、圧縮し、そして、圧縮気体として再び排気する。ピストンモータ部２８”は、この様にして、燃焼エンジンとしてでなくコンプレッサとして動作する。

したがって、集成体１０”において、吸気口１７０および圧縮気体排気口１７２が、作用チャンバ４２”に割り当てられている。また、吸気口１７４および圧縮気体排気口１７６が、作用チャンバ４８”に割り当てられている。気体交換を制御するために、吸気口１７０、１７４および圧縮気体排気口１７２は、例えば、フラッタ弁を有する。
ピストン３０”〜３６”の往復運動を生成するために、ピストンモータ部２８”は、２つの制御カーブ６８”、７０”を備えたカーブ素子６６”を有する。球体７２”、７４”、７６”、７８”の形態の作動素子が、各ピストン３０”〜３６”に割り当てられ、球体７２”〜７８”は、中空球体として形成されている。球体７２”〜７８”は、ここでは、作用チャンバ４２”、４８”とは反対側において、ピストン３０”〜３６”の背面に示すように、対応する球体ソケット７３（ピストン３０”）、 球体ソケット７５（ピストン３２”）、 球体ソケット７７（ピストン３４”）、球体ソケット７９（ピストン７８”）に受け取られる。ここで示されるように、球体ソケット７３、７５、７７、７９は、玉軸受を有し、図１２の球体ソケット７３の玉軸受は、参照番号８１で示されている。

集成体１０、１０’のカーブ素子６６、６６’とは対照的に、カーブ素子６６”は、回転軸６４”を中心として回転するように構成されている。回転軸６４”を中心としたカーブ素子６６”の回転は、ピストン３０”〜３６”の往復運動を生成する。
集成体１０”の電動モータ部２６”は、固定子８２”および回転子８８” を有し、この回転子８８”は、この実施形態の例では、巻線８４”および磁芯８６”を担持している。

回転軸６４”を中心としてカーブ素子６６”を駆動するために、電動モータ部２６”の回転子８８”は、カーブ素子６６”に回転可能に結合固定されている。
電動モータ部２６”は、ここでは、ピストンモータ部２８”を駆動するための電動モータとしての役割を果たし、集成体１０”により、駆動装置として外部モータを必要としないコンプレッサを形成する。むしろ、集成体１０”の駆動モータは、ハウジング１２”に組み込まれている。

図１２において、作用チャンバ４２”は、その最大容積を有し、作用チャンバ４８”は、その最小容積を有する一方、、図１３においては、図１２に対して、作用チャンバ４２”の容積が減少し、作用チャンバ４８”の容積が拡張したピストン３０”〜３６”の位置を示し、最終的に、図１４は、作用チャンバ４２”がその最小容積を有し、作用チャンバ４８”がその最大容積を有する状態を示す。作用チャンバ４２”、４８”のこの吸気運動は、それぞれ作用チャンバ４２”、４８”に新鮮な気体を吸気し、圧縮して、圧縮気体として排気する。

上記の集成体１０、１０’、１０”の実施形態の例の全てにおいて、球体７２〜７８、球体７２’〜７８’または球体７２”〜７８”が、関連する球体ソケット内に取り付けられており、球体は、制御カーブ６８、７０、制御カーブ６８’、７０’または制御カーブ６８”、７０”に沿って移動するとき、剪断応力を受けず、力線が、常に、球体、関連する球体ソケット、制御カーブの中心を貫通するようになっている。

図１５〜図１７に、ピストンモータ部２２８の更なる実施形態を示す。ピストンモータ部２２８は、集成体１０においてはピストンモータ部２８の代わりに、集成体１０’においてはピストンモータ部２８’の代わりに、集成体１０”においてはピストンモータ部２８”の代わりに、若干の構造上の改変を行って、あるいは、改変を行わずに使用することができる。

図１５、図１６によれば、ピストンモータ部２２８は、第１のピストン２３０、第２のピストン２３２、第３のピストン２３４、第４のピストン２３６を有する。
第１のピストン２３０は、第１の端面２３８を有し、第２のピストン２３２は、第２の端面２４０を有し、これらの間に作用チャンバ２４２が形成され、この作用チャンバ２４２は、図１５、図１６に示すピストン２３０、２３２の位置においては、その最小容積を有する。第３のピストン２３４は、第３の端面２４４を有し、第４のピストン２３６は、第４の端面２４６を有し、これらの間に、第２の作用チャンバ２４８が形成されている。図１５、図１６に示すピストン２３４、２３６の位置においては、作用チャンバ２４８は、その最大容積を有する。

４つのピストン２３０、２３２、２３４、２３６は、共通の枢軸２５０を中心として枢動可能であり、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６の枢動運動は、枢軸２５０に垂直な回転軸２５２を中心としたピストン２３０、２３２、２３４、２３６の回転運動から誘導される。枢軸２５０は、ここでは、ピストンモータ部２８、２８’を参照しながら上記に既述したように、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６と共に回転軸２５２を中心として回転する。前記の実施形態の例と同様に、枢動運動は、球体２５２（ピストン２３０）、球体２５４（ピストン２３２）、球体２５６（ピストン２３４）、球体２５８（ピストン２３６）として形成された作動素子を介して制御される。ピストンモータ部２８、２８’、２８”を参照しながら上記に既述したように、球体２５２、２５４、２５６、２５８は、ここでは、図示しない制御カーブ内で移動する。

前記の実施形態と同様に、第１のピストン２３０は、架橋部２６０を介して第３のピストン２３４に強固に結合し、第２のピストン２３２は、更なる架橋部２６２によって第４のピストン２３６と強固に結合している。このように、第１のピストン２３０および第３のピストン２３４の枢動運動は、枢軸２５０を中心として同じ方向に生じ、第２のピストン２３２および第４のピストン２３６の枢動運動も、互いに同じ方向に生じる。第３のピストン２３４および第４のピストン２３６の枢動運動と同様に、第１のピストン２３０および第２のピストン２３２の枢動運動は、相応に互いに反対向きである。

前記の実施形態とは対照的に、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６は、ジャーナル軸２６３により形成される枢軸２５０に保持され、取り付けられている。ジャーナル軸２６３は、中空ジャーナル軸として形成することができる。
ピストン２３０、２３２、２３４、２３６を枢軸２５０（ジャーナル軸２６３）に取り付けるために、軸受目状部（ｂｅａｒｉｎｇ ｅｙｅ）２６４（架橋部２６０）および軸受目状部２６６（架橋部２６２）が、架橋部２６０、２６２に配置されており、これらの軸受目状部２６４、２６６は、架橋部２６０、２６２の残余部分と一体的に形成されていることが好ましい。軸受目状部２６４、２６６は、枢軸２５０を中心として回転可能なジャーナル軸２６３に取り付けられている。

軸受目状部２６４、２６６は、平軸受、針状ころ軸受または玉軸受によって、ジャーナル軸２６３に取り付けることができる。
前記の実施形態の例と同様に、ピストン対２３０、２３４およびピストン対２３２、２３６は、ピストンケージ２７０内に保持され、このピストンケージ２７０は、図１７によると、２つの半体２７２、２７４からなり、図１５は、ピストンケージ２７０の半体２７２のみを示し、図１６は半体２７４のみを示す。ピストンケージ２７０の２つの半体２７２、２７４は、その内面が、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６の外側の輪郭に適応するアーチ状の案内シェルを形成する。図１６においては、複数の案内シェルのうち１つのみが、参照番号２７６で示されている。

図１７によれば、ピストンケージは、その外側に、軸受目状部２７８（図１７においては、複数の軸受目状部のうちの１つのみが示されている）を有し、この軸受目状部２７８内にジャーナル軸２６３が保持されている。
ピストンモータ部２２８の設計は、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６が、実質的に壁面摺動摩擦なしに、ピストンケージ２７０内で枢軸２５０を中心とした枢動運動を行うことができるという利点を有する。したがって、ピストンリング（例えば、ピストン２３４上のピストンリング２８０）のみが、ピストンケージ２７０内で案内シェル２７６と接触する。これにより、摩擦と、それによる発熱を低減し、摩耗を低減する。

ピストンケージ２７０が、回転軸２５２を中心として回転する場合、ピストン２３０、２３２、２３４、２３６に作用する遠心力は、ジャーナル軸２６３および軸受目状部２６４、２６６により吸収されて、ピストンケージ２７０内の案内シェル２７６におけるピストン摩擦を増加させることはない。
既述のように、ピストンモータ部２２８は、集成体においてピストンモータ部２８の代わりに使用することができる。この場合、集成体１０をいわゆるレンジ延長装置として使用する場合には、カーブ素子６８は、ハウジング１２に強固に結合している。そして、ピストンモータ部２２８のピストンケージ２７０は、電動モータ部２６の回転子８８に強固に結合し、これと共に回転する。ピストンモータ部２２８を集成体１０’においてピストンモータ部２８’の代わりに使用する場合にも、同じことがあてはまる。

ピストンモータ部２２８を集成体１０”においてピストンモータ部２８”の代わりに使用する場合には、カーブ素子６６”は、ハウジングに固定されず、回転軸６４”を中心として回転するように設計される。この場合、ピストンモータ部２２８のピストンケージ２７０も固定子として形成する。

Claims (11)

1. ピストンモータ部（２８；２８’；２８”；２２８)および電動モータ部（２６；２６’；２６”）が配置されたハウジング（１２；１２’；１２”）を備えた集成体、特に、複合エンジン、発電機またはコンプレッサであって、前記ピストンモータ部（２８；２８’；２８”；２２８)が、第１の端面（３８；３８’；３８”；２３８）を有する第１のピストン（３０；３０’；３０”；２３０)と、第２の端面（４０；４０’；４０”；２４０)を有する少なくとも１つの第２のピストン（３２；３２’；３２”；２３２)とを有し、前記第１のピストン（３０；３０’；３０”；２３０)および前記少なくとも１つの第２のピストン（３２；３２’；３２”；２３２)が、往復運動を行い、作用媒体用の作用チャンバ（４２；４２’；４２”；２４２)が、前記第１の端面（３８；３８’；３８”；２３８）と前記第２の端面（４０；４０’；４０”；２４０)との間に設けられ、この作用チャンバが、前記ピストン（３０，３２；３０’，３２’；３０”，３２”；２３０，２３２)の往復運動により周期的に拡縮され、前記電動モータ部（２６；２６’；２６”）が、前記ハウジングに対して固定された回転軸（６４；６４’；６４”；２５２)を中心として前記ハウジング（１２；１２’；１２”）内で回転可能な環状回転子（８８；８８’；８８”）を有する集成体において、前記回転子（８８；８８’；８８”）が、前記ピストンモータ部（２８；２８’；２８”；２２８)を取り囲んでいることを特徴とする集成体。
2. 前記第１のピストン（３０；３０’；２３０)および前記少なくとも１つの第２のピストン（３２；３２’；２３２)が、前記回転軸（６４；６４’；２５２)を中心として一体的に回転可能であり、前記ピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)の前記往復運動が、前記回転軸（６４；６４’；２５２)を中心とした前記回転運動から誘導され、前記第１のピストンおよび前記少なくとも１つの第２のピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)が、前記回転軸（６４；６４’；２５２)を中心として前記ピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)と共に回転するピストンケージ（８０；８０’；２７０)内に配置されていることを特徴とし、さらに、前記回転子（８８；８８’）が、前記ピストンケージ（８０；８０’；２７０)に結合しているか、あるいは、前記ピストンケージ（８０；８０’；２７０)に回転可能に連結固定可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の集成体。
3. 前記回転子（８８’）が、継手（１４０）を介して前記ピストンケージ（８０’）に回転可能に連結固定可能であり、前記継手（１４０）の開成時には、前記回転子（８８’）が、前記ピストンケージ（８０’）から連結解除されることを特徴とする請求項２に記載の集成体。
4. 前記回転子（８８’）が、駆動／出力軸（１６２）に結合していることを特徴とする請求項３に記載の集成体。
5. 前記継手（１４０）の閉成時には、前記ピストンケージ（８０’）が、前記駆動／出力軸（１６２）に結合していることを特徴とする請求項４に記載の集成体。
6. 前記ピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)の前記往復運動が、カーブ素子（６６；６６’）によって前記回転運動から誘導され、前記カーブ素子（６６；６６’）が、制御カーブ（６８；６８’）を有し、前記第１のピストンおよび前記少なくとも１つの第２のピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)を環状に取り囲み、前記回転軸（６４；６４’；２５２)を中心として前記ピストンケージ（８０；８０’；２７０)と共に回転せず、前記第１のピストン（３０；３０’；２３０)および前記少なくとも１つの第２のピストン（３２；３２’；２３２)が、それぞれ、前記回転軸（６４；６４’；２５２)を中心とした前記ピストン（３０，３２；３０’，３２’；２３０，２３２)の回転時に前記制御カーブ（６８；６８’）に沿って案内される少なくとも１つの作動素子を有することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の集成体。
7. 前記第１のピストン（３０”；２３０)および前記少なくとも１つの第２のピストン（３２”；２３２)が、前記回転軸（６４”；２５２)を中心として回転しないことを特徴とし、さらに、前記ピストン（３０”，３２”；２３０，２３２)の前記往復運動が、前記回転軸（６４”）を中心としたカーブ素子（６６”）の回転運動から誘導され、この素子が、制御カーブ（６８”）を有し、前記第１のピストンおよび前記少なくとも１つの第２のピストン（３０”，３２”；２３０，２３２)を環状に取り囲んでいることを特徴とし、さらに、前記回転子（８８”）が、前記カーブ素子（６６”）に結合しているか、あるいは、前記カーブ素子（６６”）に回転可能に連結固定可能であることを特徴とする請求項１に記載の集成体。
8. 前記各作動素子が、球体（７２，７４；７２’，７４’；７２”，７４”；２５２，２５４）として構成され、この球体（７２，７４；７２’，７４’；７２”，７４”；２５２，２５４）が、前記第１および第２の端面（３８，４０；３８’，４０’；３８”，４０”）とは反対側において、前記第１のピストンおよび前記少なくとも１つの第２のピストン（３０，３２；３０’，３２’；３０”，３２”；２３０，２３２)の背面側に、各球体ソケット（７３，７５）に自由回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の集成体。
9. 第３の端面（４４；４４’；４４”；２４４)を有する第３のピストン（３４；３４’；３４”；２３４)と、第４の端面（４６；４６’；４６”；２４６)を有する第４のピストン（３６；３６’；３６”；２３６)とが、ハウジング内に配置されており、前記第３のピストン（３４；３４’；３４”；２３４)および前記第４のピストン（３６；３６’；３６”；２３６)が、往復運動を行い、流体用の更なる作用チャンバ（４８；４８’；４８”；２４８)が、前記第３の端面（４４；４４’；４４”；２４４) と前記第４の端面（４６；４６’；４６”；２４６)との間に設けられ、この作用チャンバが、前記第３および第４のピストン（３４，３６；３４’，３６’；３４”，３６”；２３４，２３６)の前記往復運動により周期的に拡縮されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の集成体。
10. 前記第１のピストン（３０；３０’；３０”；２３０)および前記第３のピストン（３４；３４’；３４”；２３４)が一体的に結合していることを特徴とし、さらに、前記第２のピストン（３２；３２’；３２”；２３２)および前記第４のピストン（３６；３６’；３６”；２３６)が一体的に結合しており、前記作用チャンバ（４２；４２’；４２”；２４２)および前記更なる作用チャンバ（４８；４８’；４８”；２４８)が互いに対向して拡縮されるようになっていることを特徴とする請求項９に記載の集成体。
11. 前記第１および第２のピストン（２３０，２３２）の前記往復運動が、枢軸（２５０）を中心とした枢動運動であることを特徴とし、さらに、前記第１のピストン（２３０）および前記少なくとも１つの第２のピストン（２３２）が、前記枢軸（２５０）に保持され、取り付けられていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の集成体。

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