Neue Beschreibung HHAB

Neue Beschreibung des HHAB-Motors

Das HHAB-Motor Antriebskonzept

Das HHAB-Motor Antriebskonzept besteht aus min. zwei HHAB-Motoren an denen, direkt, jeweils min. ein Lineargenerator gekoppelt ist. Die Lineargeneratoren dienen einmal dazu die Energie aus der Zyklusbewegen des HHAB-Motors zu erzeugen und gleichzeitig wird über sie die Geschwindigkeit der Kolben der HHAB-Motors begrenzt. Der HHAB-Motor läuft dabei immer mit dem optimalen Wirkungsgrad. Wenn eine individuelle Leistungsanpassung benötigt werden sollte, kann man den HHAB-Motor takten. Das heißt man kann, gesteuert, den Motor anhalten und wieder starten, auch für einzelne Motorzyklen und so eine Leistungsabgabe zwischen 0% und 100% erreichen und das, ohne eine schwere Pufferbatterie und aufwendigen Steuerungsaufwand.

Die wesentlichen Vorteile einer HHAB-Motoreinheit sind:

1. Sie besteht nur aus wenigen Teilen, zwei HHAB-Motoren bestehend aus ca. 400 Teilen, das entspricht zwei kompletten 4 Zylinder Viertaktmotor mit ca. 2800 Teilen.

2. Sie hat nur ein geringes Gewicht. Eine HHAB-Motoreinheit mit einer Leistung von ca. 120 KW wiegt ca. 15 kg, wobei die bewegte Masse der Motoren (Kolben Ventilöffnungssystem ohne Lineargenerator usw.) ca. 3,5 kg wiegt.

3. Es werden keine seltenen Materialien wie Lithium oder Kobalt benötigt.

4. Das Öffnen und das Schließen der Auslassventile erfolgt selbstständig, automatisch und prozessgesteuert.

5. Der Kolben wird ständig geschmiert, der Motor ist für den Dauerbetrieb geeignet

6. Der Motor wird mit Wasserstoff betrieben, wobei auch nicht hochreiner Wasserstoff aus der Industrie verwendet werden kann.

7. Es entsteht beim Betrieb Abwärme, so dass im Winter nicht zusätzliche Energie benötigt wird.

8. Er ist vibrationsarm.

9. Er läuft immer mit den optimalen Parametern (bester Wirkungsgrad).

10. Er benötigt keine Pufferbatterie.

11. Die HHAB-Motoreinheit ist sehr kompakt, so dass sie sich in der Unterbodengruppe integrieren lässt oder auch hochkant in den beiden C-Säulen.

12. Sie lässt sich günstig fertigen.

13. Es wird kein Getriebe benötigt.

14. Es entstehen keine schädlichen Abgase.

Eine HHAB-Motoreinheit besteht ausfolgenden Hauptkomponenten:

1. Zwei HHAB-Motoren die die Lineargeneratoren antreiben.
(Die Lineargeneratoren und die HHAB-Motoren sind doppelt vorhanden, um über eine Synchronisation der beiden Komponentengruppen einen Masseausgleich herbeizuführen, zur Vermeidung von Vibrationen.)

2. Zwei Lineargeneratoren die die Antriebsenergie erzeugen.

3. Optional einem kleinen Energiezwischenspeicher, der die erzeugte Energie der Lineargeneratoren zwischenspeichert und dann lastabhängig die passende Antriebsenergie zur Verfügung stellt, wenn der HHAB-Motoren getaktet werden.

4. Einem Elektromotor, der die Antriebsachse bzw. Antriebsachsen antreibt oder elektrische Energie für ein Blockkraftwerk bereitstellt.

Beschreibung der einzelnen Komponenten

Zu 1. Der HHAB-Motor:

Power Motorlauf

Ist ein Verbrennungsmotor in Freikolbenbauweise mit einem Doppelkolben und darin integrierten Auslassventilen. Für diesen Motortyp wurde mir das Patent 10 2017 102 071 erteilt.

Auch dieser Motor benötigt zur Funktion vier Takte die hintereinander ablaufen müssen:

Ansaugen:
Es muss im Brennraum genug Sauerstoff bereitgestellt werden, so dass sich ein Lambda 2 Verhältnis zum eingespritzten Wasserstoff einstellt. Bei der stationären Variante wird direkt die passende Menge Sauerstoff eingespritzt. Bei der mobilen Variante wird die passende Luftmenge über ein mechanisch gekoppelten oder einen elektrisch angetriebenen Kompressor bereitgestellt.

Verdichten:
Durch die Explosion des Wasserstoff/Sauerstoffgemisch im gegenüberliegenden Brennraum wird die Luft verdichtet. Dabei wird in den richtigen Moment der Wasserstoff und Sauerstoff eingespritzt.

Arbeitstakt:
Wird erkannt das die Bewegungsrichtung des Kolbens wechselt, weil die Abgase in den gegenüberliegenden Zylinder entweichen,
wird das komprimierte Gemisch gezündet und Energie gewonnen.

Ausstoßen:
Durch das Auflaufen der Öffnungskeile der Ventilöffnungseinheit auf die Auflaufkeile in der Ventilkammer, wird zuerst das kleine Auslassventil und dann das große Auslassventil automatisch geöffnet, so dass die Abgase (Wasserdampf) entweichen können.

VideoFilme\Ventilöffnungsvorgang.mp4
Durch das frühere Öffnen des kleineren Auslaufventils verringern sich die Öffnungskraft von 1634 N auf 116 N.

Bei dem HHAB-Motor werden die notwendigen vier Takte auf die zwei Zylinder aufgeteilt.
Dabei werden das Ansaugen und das Verdichten, nacheinander, in dem einen Zylinder durchgeführt, während in den anderen Zylinder der Arbeitstakt und das Ausstoßen der Abgase stattfindet. Anschließend werden, für die durchzuführenden Takte, die Zylinder getauscht.

Das hat den Vorteil das bei jeder Kolbenbewegung im HHAB-Motor ein Arbeitstakt ausgeführt wird, also Energie erzeugt wird. Also pro Kolbenbewegungszyklus (Bewegung des Kolbens von links nach rechts und wieder zurück) zwei Arbeitstakte ausgeführt werden.

Motorlauf: Excel\Motorlauf.xlsx

So entsteht eine zyklische Bewegung des Doppelkolbens, wobei bei jeder Kolbenbewegung Energie erzeugt wird. Der HHAB-Motor besteht also aus 2 miteinander gekoppelten Zweitaktmotoren.

Von der Energieerzeugungsmenge entspricht 1 HHAB-Motor einem 2 Zylinder Zweitaktmotor oder einem 4 Zylinder Viertaktmotor.

Andere ähnliche Verbrennungsmotoren wie der Stelzer Motor (https://de.wikipedia.org/wiki/Stelzer-Motor )oder der DLR Freikolbenmotor ( https://www.youtube.com/watch?v=7HmxNazMJVI ) funktionieren ähnlich, sie erzeugen auch eine zyklische Kolbenbewegung.

Der wesentliche Unterschied zum HHAB-Motor liegt aber darin, dass diese beiden Motoren ihre Abgase durch die Zylinderaußenhüllen ausstoßen und dadurch die Kolbenschmierung unterbrochen wird (Verharzung durch zu großer Abgastemperatur) und so nicht für den Dauerbetrieb geeignet sind.

Stelzer Motor:

DLR-Freikolbenmotor:

Bei dem DLR-Direktkolbenmotor, der von der Firma SWEngin GmbH weiterentwickelt wurde, hatte man versucht das Problem mit einem elektrisch betätigten Ventil zu lösen, dafür wird aber sehr viel Energie benötigt.

Beim HHAB-Motor werden die Abgase durch den Kolben ausgestoßen:

Zu 2. Die Lineargeneratoren:

https://www.youtube.com/watch?v=UhvA_0azb9M

Über die beiden Lineargeneratoren wird die notwendige elektrische Antriebsenergie erzeugt. Lineargeneratoren sind Induktionsspulen die durch ihren optimalen Aufbau die idealen Spannungsquellen sind. Sie erzeugen über einem Magnetfeld (erzeugt durch Dauermagneten), die in einer Spule, in optimalen Winkel, bewegt werden, eine Induktionsspannung. Die Induktionsspannung ist proportional zur magnetischen Feldstärke der Dauermagnete, zur Geschwindigkeit mit dem das magnetische Feld durch die Spule bewegt wird und der Spulendrahtlänge.

Dabei gilt: Umso mehr der Generator belastet wird, umso mehr bremst er die Kolbenbewegung ab, weil der Strom, der durch die Linearspule fließt, ein Gegenfeld erzeugt, das proportional zum Strom ist. Würde der Lineargenerator kurzgeschlossen werden, würde er wie eine Wirbelstrombremse wirken und den Lineargenerator zum Stillstand bringen.

Zu 3.) Diese E-Motoren werden in Autos verbaut:

Permanenterregter Synchronmotor (PSM)
Der fremderregte Synchronmotor (FSM)
Der Asynchronmotor (ASM)

Zu 2. Der Energiezwischenspeicher:

Der Energiezwischenspeicher dient dazu, die getaktete Generatorspannung zwischen zu speichern und dann lastabhängig den Antriebselektromotor zur Verfügung zu stellen. Der Zwischenspeicher muss möglichst ohne große Verluste geladen und entladen werden können.

Funktionsbeschreibung eines HHAB-Motorantriebes

Startvorgang des HHAB-Motors:

Das Starten eines HHAB-Motors geschieht dadurch, dass der Lineargenerator als Motor betrieben wird. Durch ein Anlegen einer externen Spannung wird aus dem Generator ein Motor.

Dieser Motor schiebt jetzt den Kolben nach links und verdichtet die Luft in den linken Zylinder in dem dann zum richtigen Zeitpunkt der Sauerstoff und der Wasserstoff eingespritzt wird. Wenn jetzt der Kolben in dem Zylinder den gewünschten Innendruck misst wird das Gemisch gezündet.

Normaler Motorlauf des HHAB-Motors:

Für den normalen Motorlauf muss sichergestellt werden das der Kolben nicht zu schnell wird, so dass die Abgase nach der Verbrennung nicht entweichen können, weil der Kolben von einem Überdruckpolster abprallt.

Ein HHAB-Motor läuft nicht ohne Last

Deshalb muss der Kolben gezielt abgebremst werden. Dies geschieht folgendermaßen:

1. Durch das Verdichten der Luft in dem gegenüberliegenden Kolben.

2. Durch die Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Lineargeneratorspule, das den Kolben abbremst. Die Stärke dieses Feldes hängt von der Größe des Stromes ab, der durch die Spule fließt. Also, umso mehr der HHAB-Motor Energie erzeugen muss umso mehr wird der Kolben abgebremst.

Das Ganze muss jetzt regelungstechnisch gesteuert werden. Einmal muss sichergestellt werden das die Energie bei der Verbrennung erzeugt groß genug ist, um den Kolben soweit anzutreiben, dass das Abgas möglichst vollständig ausströmen kann und das in dem anderen Zylinder das Gemisch aus Sauerstoff / Wasserstoff genug verdichtet wird, das ein optimales Gemisch für den nächsten Verbrennungsvorgang bereitgestellt wird. Dafür muss die Kolbengeschwindigkeit gemessen werden. In Abhängigkeit der Abweichung zur idealen Kolbengeschwindigkeit und der abgegebenen Motorleistung wird jetzt die eingespritzte Wasserstoffmenge angepasst, wobei die Lambdaeinstellung konstant bei 2 eingehalten wird.

Gezieltes anhalten und weiterlaufen des HHAB-Motors:

Das gezielte Anhalten des HHAB-Motors geschieht dadurch, dass die 14Auflaufkeile in der Ventilkammer eingefahren werden, so dass die Öffnungskeile 28KeilKurz und 28Keillang in der Ventilöffnungseinheit die Auslassventile nicht öffnen. So bleiben die Abgase im Zylinder und der Motor bleibt stehen (das Zünden des Gemischs im anderen Zylinder wird dabei ausgeschaltet, so dass ein zünden durch das eventuelle Abprallen (Federeffekt) was zu einer Richtungsänderung des Kolbens führt, nicht zur Zündung des Gemischs im gegenüberliegenden Zylinder führen kann).
Für das weiterlaufen des Kolbens wird jetzt die Zündung des gegenüberliegenden Zylinders wieder freigeschaltet und die Auflaufkeile wieder ausgefahren, so dass die Öffnungskeile die beiden Auslassventile öffnen.

Beschreibung der einzelnen Komponenten des HHAB-Motors durch die Konstruktion eines Testmotors

Film Testmotor HHAB-Motor Model

Als Motorgröße wurde ein HHAB-Motors mit folgenden Kenngrößen ausgewählt:

1. Hubraum: 455 ccm (das entspricht einem 4 Zylinder 4 Taktmotor mit ca. 1800 ccm)

2. Kolbenhub: 82 mm

3. Arbeitstaktanzahl: 40 Stück/Sekunde

Test-HHAB-Motor Konstruktion

Mit der Konstruktion der einzelnen Komponenten des HHAB-Motors wollte ich beweisen, dass das Öffnen und das Schließen der Auslassventile automatisch funktioniert und dass sich ein solcher Motor fertigen lässt. Dazu war notwendig das ich mir den Umgang mit der 3D-Konstruktionssoftware Autodesk Fusion 360 beibrachte, um die einzelnen Teile des Motors fertigen lassen zu können.

Der HHAB-Testmotor besteht aus 50 verschiedenen Komponenten und aus insgesamt 204 Teilen (siehe Stückliste HHAB-Motorstückliste.xlsx).

Insgesamt mussten 40 verschiedene Teile konstruiert werden, die mir die Firma WEBA Feinmechanik GmbH dann gefertigt hat.

Die Auslassventilöffnungseinheit

Das größte technische Problem lag bei der Konstruktion der Auslassventilöffnungseinheit. Die in der Patenturkunde vorgestellte Variante lässt sich technisch nicht umsetzen.

Für die endgültige Konstruktion waren viele Versuche notwendig. Die Konstruktion musste folgende Kriterien erfüllen:

1. Sie musste im Kolben integrierbar sein

2. Sie musste rein mechanisch funktionieren

3. Sie musste möglichst klein und kompakt sein

4. Sie musste verschleiß arm sein

5. Das Öffnen der Ventile muss einfach abschaltbar und wieder zuschaltbar sein

6. Die Einheit muss einfach zu fertigen sein

7. Alle Teile müssen automatisch geschmiert werden

8. Das Innenleben darf nicht zu heiß werden

9. Sie musste zwei Ventile nacheinander öffnen (Verringerung der Durchbiegungskraft des Ventilöffnungsgehäuses

Also eine fast unmöglich lösbare Aufgabe. Die Lösung hat mir mehrere schlaflose Nächte und mehrere Kilometer Wanderung beschert. Auf die gefundene Lösung bin ich sehr stolz.

Sie besteht aus folgenden Komponenten:

Die beiden Ventilöffnungseinheiten werden jeweils am Ende des Kolbens eingebaut. Über die Ventilöffnungseinheit werden die Auslassventile geöffnet, indem der Kolben beim Zurücklaufen#

gegen die Auflaufkeile fährt. Mit Ihr werden zusätzlich die Kolbenböden mit dem Kolben verbunden.

21Ventilöffnungsgehäuse 22Ventilführung 6x23LagerKlein 2x24LagerGross 25VentilHalzrstift

26Ventildichtung 28KeilKurz 29KeilLang 31VentilKlein 32VentilGross

27Rückholfeder 34Sprengring

Die Funktion ist in folgender PowerPoint Datei beschrieben: PowerPoint\Ventiloeffnungsvorgang.pptx

Der Doppelkolben

Der Doppelkolben wird zwischen den beiden Zylindern hin und her bewegt.

Er besteht aus folgenden Teilen:

17Kolbenrohr 2x Ventilöffnungseinheit 2x 20Kolbenboden 2x 33Isolierkörper 18Innenteil Kolben

10Kolbenauspuff 4x 30Kolben- 41Gestänge 2x 42Kolben 2x 45Kolben

Dichtung Verbinder Schubstange Lagerschiene

Die Zylinder komplett:

Zylinderkopf Ventilgehäuse Kolbenkühler

Der Motorrahmen

Das HHAB-Gestell bildet das Skelett des HHAB-Motors Alle Teile werden über 4 M8-Gewindestangen zusammengehalten.

Kühlkreislauf

Am jedem Ende des Kolbens befindet sich eine Kolbenkühlung und eine Zylinder Kühlung

Durch das Zünden des Gemisches wird der Kolben angetrieben und schiebt das Öl über die Kolbendichtringe, in der Zylinderhülse, in die Richtung des anderen Zylinders. Durch die hohe Temperatur verdampft ein Teil des Öls, so dass der Druck im Zylinderaußenbereich steigt und der Öldampf durch Dichtung in den Kolbenkühler gelangt. Dieses Öl wird über einen Ölabscheider dem Ölkreislauf wieder zugeführt. Durch die Kühlwassererwärmung im Kolbenkühler tritt Wasserdampf durch die Kühlerdichtung aus und gelangt in den Schalldämpfer. Dieser Wasserdampf wird zusammen mit dem Wasserdampf der durch die Verbrennung entsteht abgeleitet, wobei ein Teil dazu genutzt wird das Kühlwasser zu ergänzen.

Ölflusssteuerung

Als Motorgröße wurde ein HHAB-Motors mit folgenden Kenngrößen ausgewählt:

4. Hubraum: 455 ccm (das entspricht einem 4 Zylinder 4 Taktmotor mit ca. 1800 ccm)

5. Kolbenhub: 82 mm

6. Arbeitstaktanzahl: 40 Stück/Sekunde

Der HHAB-Motor besteht aus folgenden Hauptbaugruppen:

1. Zylinderbaugruppe

2. Ventilöffnungsbaugruppe

3. Kolbenbaugruppe

Die Kolbenbaugruppe die aus einem Kolbenrohr in dem jeweils an jedem Ende ein Kolbenboden, eine Ventilöffnungsbaugruppe integriert ist, wird zwischen den beiden Zylinderbaugruppen durch die Zündung von einem Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch hin und her bewegt.

Tabelle der verwendeten Komponenten:

Für jede Komponente liegt gibt es eine technische Zeichnung als PDF, Fotos als PNG und 3D-Daten in den Formaten STEP, STL, Autodesk-Fusion360 und Inventor.

Liste der konstruierten Teile

0M12Gewindestangen