PATENTS

Dies sind die Euro-Patente von Dipl.- Ing. Hans- Joachim Wendt.

Sie sind jetzt abgelaufen und somit als Stand der Technik frei nutzbar.

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This are the Euro-Patents from Dipl.- Ing. Hans- Joachim Wendt.

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Description of GB2013907


SPECIFICATION

Loading and unloading of aircraft This invention relates to the loading and unloading of an aircraft whereby the weight of the load is determined as accurately as possible during the actual loading, and the loading and unloading is speeded-up whilst reducing the risk of accidents.

The arrangement of the invention serves also to indicate the position of the centre of gravity on the basis of the individual weights of the added load, and to provide a warning of any local over loading of the structure of the freight compartment.

An aircraft loading arrangement has known means for moving and securing items of cargo in a hold, and further has a weighing apparatus in the hold with the weights of each item being indicated on a display, the weight of an item and its position in the hold being indicated in an overall diagrammatic view of the hold. All control orders and weights and positional information being processed and passed in by a control unit. The corresponding signals being built up digitally and encoded on a carrier frequency for subsequent use or display. All information paths are thus provided by simple coaxial cables which also perform the function of supplying the current to the active components concerned.

In commercial aircraftfor passengers and/or cargo it is essential, for preflight planning, thatthe Captain should be provided with as accurate details as possible concerning the weight of the payload. This enables him to determine the exact quantity of fuel required for an intended flight. If the are no exact details of the payload then an additional reserve quantity of fuel has to be carried for contingencies, and this generally remains at the end of the flight. This transport of unnecessary fuel is a cause of increased fuel consumption which is to be avoided if possible.

It is usual to determine the all-up weight of cargo by weighing the individual freight containers and pallets by means of weighing devices on the ground atthe airport, butthis has disadvantages in that not every airport has weighing equipment available, and in passenger aircraft or passenger and cargo aircraft the all-up weight of the passengers is determined from an average weight per passenger and the degree of occupancy. This is not very accurate, particularly when the weight of the average passenger has to be corrected.

Known cargo loading systems offer the advantage of enabling the pack of freight, containers, pallets or the like to be transported over rollers from a loading gate to the stowage position or vice-versa, but these provide no means of checking the weight of the cargo loaded, in order, for example, to enable over-loading of the freight compartment structure to be avoided.

One method of determining the weight of the loaded cargo is based on the load on the landing gear. The load on each individual undercarriage leg is determined dynamon metrically and the total weight of the aircraft thus calculated. After deduct- ing the empty weight and the fuel the payload GB 2 013 907 A 1 weight is obtained. This also enables the position of the centre of gravity to be determined for weight and balance calculations. As the weight of the cargo is determined on the basis of the all-up weight, the date provided on the actual payload is relatively inaccurate. Individual loads cannot be determined.

According to this invention there is provided an arrangement for the cargo hold of an aircraft wherein a loading door is provided in the aircraft fuselage for introducing cargo items, with transport means for moving cargo across the hold floor to a position where it is secured, a weighing means being provided in the hold wherebythe weight of each cargo item is determined during loading.

so The arrangement according to this invention offers the advantage, in comparison with known systems, that it is possible to determine the weight of the added cargo at any airport. A further advantage is that the weights are determined with high accuracy and the centre of gravity can be ascertained. The moderate weight of the system used, principally due to the reduction of the cabling and wiring to a minimum, is a further advantage.

Embodiments according to the invention are de- scribed in the following, in conjunction with the accompanying drawings showing examples byway of explanation and illustrating preferred features of the invention. In the drawings:- Figure 1 is a general view of an arrangement for loading and unloading an aircraft in accordance with the invention.

Figure 2 is a schematic view of the weighing system circuit of an arrangement as shown in Figure 1.

Figure 3 shows the structure of a weight sensor.

Figure 4 shows a block schematic of the electronic system for the weight sensor shown in Figure 3.

Figure 5 shows the control logic of the weighing system shown in Figure 2.

Figure 6shows a light beam unit of the weighing system shown in Figure 2.

Figure 7 shows the operating sensor, and Figure 8 shows in schematic section the sensor of Figure 7.

Referring to the drawings, Figure 1 provides a general view of an embodiment in accordance with the invention for loading and unloading an aircraft. The drawing shows a cargo hold with guide means 1 in the zone of the loading gate 9, and a rolling floor 2 comprising a number of balls affording transport with longitudinal drives 3, transverse drives 4 and weight sensors 5. The hold also has the cargo stowage positions 7 provided with roller tracks 10. Longitudinal transport drives 3 are provided in the region of the stowage positions. Ali stowage positions 7 have securing devices 6. A system of this kind can be accomoclated in the space below the floor level and also in the space above floor level in an aircraft. For loading, a freight container is moved over the guide means 1 onto the rolling floor 2 until the rollers of the transverse drives 4 contact the container and move into the hold. When the container has been moved in as far as the position 7kthe transverse drives 4 are switched off, and in this position the container is weighed by means of the 2 GB 2 013 907 A 2 weight sensors 5 and is then moved by the longitudinal drives 3 as far as the stowage position 7e. The roller tracks 10 provide free movement in this operation. When the container has moved into stowage position 7e the drives are switched off and the container is fastened in position by means of appropriate securing devices 6. The further containers to be loaded are weighed and stowed in the same manner. The last container to be introduced remains in stowage position 7kwhere it is secured. For unloading, all the aforementioned operations except for the weighing process are carried out in a reverse order.

Operating switches 8 are used for the operation of the drives, and by means of these switches the power to the motors of the drives is only provided as long as an operator actuates the relevant switch 8. The switches are installed to disconnect the drive should an operator fall during the loading.

Figure 2 shows generally the control circuit of the arrangement according to the invention, and having operating switches 8 with high and low pass filters 18, a main processor unit 14, a control unit 13 for the motor control circuit 16 serving to operate the motor drives 3 and 4, an indicating unit 15 which indicates weights and position sensors 20 providing signals for the positions of individual pallets or containers. The equipment also includes an automatic pallet securing device 17 and a power supply 12 which supplies current to the entire electronic control system. The main processor unit 14, weight sensors 5, indicating unit 15 and the motor control circuit 16 are connected with the control unit 13 through coaxial lines by which the signals are transmitted, for example in the form of modulated carrierfrequencies, and by which the power supply for the various active components is also fed. If a freight container is to be introduced into the cargo hold of the aircraft, the transverse drives 4 are first actuated by the relevant switches 8, until the container is in the required position on the floor 2. In this position the container is weighed by the main processor unit 14 which takes the weights of the individual sensors as determined by the control unit 13, and adds them together in order to provide the overall weight of the container which is fed to the indicating unit 15. On this unit the container weight can be read from a display panel. The container is then moved to a stowage position by means of the driving devices.

Each driving motor has an operating switch 8 with a press button forforward and reverse movement. Each switch 8 is also provided with an address coder, so that when the button is pressed not only information such as "forward" but also the address of the motor to be actuated is conveyed to the control unit 13 through the filter 18. The control unit switches this signal to the motor control circuit 1, which switches on the motor addressed. When the container has reached the exact position required the motor is switched off by the control unit 13, which at the same time actuates the corresponding securing devices 17 which firmly secure the container in position. Each stowage position has position sensors 20 which feed the control unit with a signal defining the occupancy of the relevant stowage position. The control unit is thus able, by switching off the motor, to ensure that a moving container will not collide with one which has already been stowed in position. The indicating unit 15 is provided for each stowage position, with a display panel in which an indication is given of the weight of the container occupying that position. The container weight previously determined is thus assigned by the control unit 13 to the stowage position finally occupied by the container. In conjunction with this indication on overload warning device is provided which gives an optical and/or acoustic indication of any overloading of the floor structure, which may be caused for example, by a number of heavy or overloaded containers present in a small area.

Figures 3 and 4 show an example of a weight sensor 5. This mainly has a lower housing part 21, a cover 22, a load sensitive conductive plastics material 23, sandwiched between two metal plates 24 and two insulating plates 25, and an electronic sensor device 26 which is connected with the pressure sensitive material 23 through the conductors 27 and 28. The lower housing part 21 is secured to the base of the freight compartment by bolts 26. The floor 2 go bears on the cover 22 and is connected thereto by a bolt 39. As the cover 22 is movable vertically in relation to the lower housing part 21, the material 23 is subjected through the metal plates 24 and the insulating plates 25 to a force which causes the electrical conductivity of the material 23 to undergo a certain increase proportional to the weight on the floor 2. The weight is determined on this basis. The material 23 forms part of a bridge circuit 30 with the output signal fed to an analog to digital converter 33 loo via amplifier 32. A digital signal corresponding to the weight on the sensor is available at the input of an address coder 34. The address coder 34 adds to the weight signal a code word associated with the particular weight sensor and forming a further digital signal and conveys the complete signal to a carrier frequency generator 36, via a modulator 35, when a release signal supplied by an address decoder 38 is available. The carrier frequency generator produces a carrier wave which is modulated with the aforementioned signals and which is fed into the coaxial cable 29 and thus to the control unit 13 of Figure 2 through the high pass part of the high and low pass filter 19. The information supplied is stored and is thus available for further operations of the control system. The weight sensor only switches the measured value to the coaxial lead 29 when the latter has received from the control unit an interrogation signal carrying the address of the said sensor. This signal likewise is built up digitally and passes via an appropriately modulated carrier wave and via the coaxial conductor 29 and the high pass part of the high and low pass filter to a carrier frequency receiver 37 in whch the signal received is conveyed further to an address decoder 38. In the latter the address contained in the interrogation signal is compared with the address of the sensor. If they agree with each other the address decoder 38 supplies the aforementioned release signal to the address coder 34 and the signal from the analog to digital converter is then combined with the address A 3 of the sensor and conveyed to the modulator 35. The signal thus passes through the subsequent stages of this electronic sensor system and reaches the control unit through the coaxial conductor_. The electronic sensor system is supplied with a direct voltage through the coaxial conductor 29. The voltage passes through the low pass part of the high and low pass filter 19 to a stabiliser 31, by which a sufficiently stabilised voltage is supplied for the bridge circuit and also for the active elements of the electronic system.

Figure 5 shows the structure of the control unit 13 of Figure 2. The control unit 13 has an input coder/decoder 40, a store 41, a control device 42, an output coderldecoder 43 and an arithmetic unit 44. The control unit 42 controls the flow of information relevant to the entire system in as much as it emits interrogation signals to the individual input devices of the system, such as weight sensors, operating switches, main operating device and position acknowledgement signal devices, through the input coderldecoder 43 and in a preselected order. In this process a time interval is left between the respective separate interrogation signals, in which interval the answer signals are received via the input coder/ decoder 40 and are processed within the control logic, and in this process the logical results or measured values reach the output coderldecoder 43 and are conveyed to the motor control system, the securing devices and the indicator unit. The main purpose of the store 41 is to retain the information concerning pallet or container weights, the operating switches which are functioning at the time and the operation which is being performed at any moment. The weight determined by the weighing device first of all consists of the separate weights supplied by the six separate weight sensors mounted underneath the floor 2. Within the control logic the control unit 42 controls the logical sequ- ences of the arithmetic operations. The said arithme- 105 tic operations are performed by the arithmetic unit 44. These operations include that of determining the container or pallet weight from the relevant individual weights and determining the all-up weight of the load in the aircraft. The arithmetic unit 42 also provides a means by which the weights calculated can be compared with preselected maximum values and an overload signal provided in the event of such values being exceeded.

Figure 6 shows a block diagram of a positon 115 acknowledgement signal device 20 in accordance with figure 2, having a light source 45, an optical system 46, a photo cell 47, a coderldecoder 48, a high and low pass filter 49 and a power supply 50.

The light source 45, the optical systm 46 and the photo cell 47 form a light barrier which is interrupted by any container or other object located in the relevant stowage positon. The corresponding signal is available in the coder/decoder 48 and is interro- gated by the control logic through a coaxial cable 51 and the high and low pass filter 49, the code for the relevant device being indicated. Through the low pass part of the high and low pass filter 49 the supply voltage present simultaneously in the coaxial con- ductor 51 is passed to the power pack 50 through GB 2 013 907 A 3 which the electronic system of the device is provided with a stabilised voltage. In an alternative version of the signal device the signal indicating the occupancy of the stowage position is produced by a light beam which is emitted from a light source and reflected by the relevant container encountering a photo sensitive element.

Figure 7 shows a block diagram of the indicating unit 15 shown in Figure 2, with an encoder 52, a weight display panel 53 for each of the stowage positions 1 to n, a total weight display panel 54 and an overload display panel 55. The display panels are preferably made up of seven segments lightemitting diode displays. The encoder 52 performs two functions which are that of allocating the signals coming from the control logic 13 to the individual display panels in accordance with the addresses allocated, and that of giving the digital signals a form suitable for display. The individual display panels 53 are arranged in such away asto provide a general diagrammatic plan layout of the cargo hold, each display panel symbolising the stowage position allocated to it. The allocation of the weights to the individual stowage positions is effected by the control logic 13 on the basis of the loading programme adopted. The weights could equally well be shown on an analog principle instead of digitally. The approximation of the particular value found to an establishd maximum weight would then have to be shown very distinctly.

In an advantageous further development of the system (not shown in the drawings) a device is provided for detecting the passenger weight, this device corresponding to the control unit 13. In one version of this apparatus, weight sensors are mounted underneath the boarding point and pass on the weight determined to the correspondingly adapted control unit 13. This includes the weight of passengers' hand luggage. From the individual values supplied the arithmetic unit calculates the total passenger weight and passes it on to a dispiay panel mounted in a suitable position.

In another development of the device for detecting the passenger weight (not shown in the drawings) the weight sensors are situated in the passengers' seats. By the use of the digital interrogation process described earlier this method enables a very simple wiring system to be adopted, inasmuch as all the sensors can be connected in parallel. In this system every seat is provided with a simple coaxial cable connection.

In an additional version of the system the arithmetic unit inside the control unit 13 calculates the centre of gravity of the aircraft on the basis of the values determined by the weight sensors. For this purpose data is fed in, such as the position of the centre of gravity and the weight of the empty aircraft, together with details regarding fuel load. the result is indicated by a display panel mounted in a suitable position.

In a further development of the system the longitudinal and transverse drives are operated by sensors instead of by switches 8. Figure 8 shows an operating sensor of this kind with a pressure- sensitive conductive plastics material 56 between 4 GB 2 013 907 A two metal plates 57 and two insulated plates 58 undereneath a cover 59 in a housing 60. A subsidiary part of the housing contains an electronic sensor system 61 connected with the control unit 13 via a coaxial cable connection 62. The arrangement of the 70 electronic sensor sytem 61 corresponds to that of the electronic sensor sytem 26 shown in Figure 4. The material 56 forms part of the bridge circuit of which the analog signal controls an analog digital conver ter. This latter supplies a digital signal which corres ponds to the force exerted by an operator on the operating sensor with his finger. Through the digital interrogation process described earlier the signal goes to the control unit 13 by which the drives associated with the operating sensor are caused, through the motor control circuit 16, to run at a speed proportional to the pressure applied. This can be achieved by using any of the known processes for the proportional control of motors. By means of the proportional control system the loading or unload ing rates can be adapted to the particular conditions prevailing at the time; the maximum rotation speed will be above the fixed rotation speed hitherto used.

This not only reduces the risk of an accident but also enables the working rate to be increased. The sensors are in the form of elongated strips making them easily accessible, thus simplifying the opera tion of the apparatus.

The digital interrogation system used for the transmission of the signals within the system as a whole and supplied with current through a conduc tor at the same time is also practicable without the use of a carrier frequency. In this case the corres ponding signals are superimposed on or re separated from the supply voltage by means of devices of a known kind

Claims of GB2013907


CLAIMS

1. An arrangement for the cargo hold of an 105 aircraft wherein a loading door is provided in the aircraft fuselage for introducing cargo items with transport means for moving cargo across the hold floor to a position where it is secured, a weighing means being provided in the hold whereby the weight of each cargo item is determined during loading.

2. An arrangement according to Claim 1, with means for moving and securing cargo in the hold and providing an indication of the position of each item, the weighing means comprising sensors pro viding an electrical output signal fed to a control unit.

3. An arrangement in accordance with Claim 2, wherein the cargo is secured by securing means operated by the control unit.

4. An arrangement in accordance with Claims 2 or 3, wherein means for position sensing of the items its operatively coupled with the control unit.

5. An arrangement in accordance with Claim 4, wherein the position sensing means comprise a light source, an optical system and a photo sensitive detector element.

6. An arrangement in accordance with anyone of Claims 1 to 5, wherein an indicator means shows the 4 position of each item in the hold or occupancy with the weight thereof, the weight determined by the weighing device to the means being assigned to the item by the control unit.

7. An arrangement in accordance with anyone of Claims 1 to 6, wherein means are further provided to feed to the control unit signals from sensors serving to detect the passenger weight.

8. An arrangement in accordance with Claim 7, wherein the sensors for detecting the passenger weight are at the passenger boarding threshold.

9. An arrangement in accordance with Claim 7, wherein the sensors for detecting the passenger weight are incorporated in the passenger seats.

10. An arrangement in accordance with Claim 6, wherein data representing the stowage position and occupancy in the hold with further data relating to the aircraft, fuel load and weight of passengers are fed to the control unit, the control unit determining the centre of gravity of the aircraft from the data.

11. An arrangement in accordance with anyone of Claims 1 to 10, wherein the means for moving items in the hold comprise motor drives operable by means of sensors responsive to the position of the items.

12. An arrangement in accordance with anyone of Claims 1 to 11, wherein the sensors used for weight and position sensing comprise a plastics material having an electrical conductivity dependent on applied loading,

the sensors being incorporated into the cargo hold f loor sections.

13. Arrangement in accordance with anyone of Claims 1 to 12, wherein the electrical signals to and from the control unit are digitally encoded and transmitted through electrical cable which also transmits power for the active components.

14. An arrangement in accordance with Claim 13, wherein the signals are modulated onto a carrier and distributed by a transmission line.

15. An arrangement for an aircraft substantially as herein described with reference to and as shown in the accompanying drawings.

16. An aircraft including the arrangement according to any Claim.

Printed for Her Majesty's Stationery Office by Croydon Printing Company Limited, Croydon Surrey, 1979. Published by the Patent Office, 25 Southampton Buildings, London, WC2A lAY, from which copies may be obtained.

Patentapplications disclosed but not continued

Inclusive PCT and Japanese Applications

Patentanmeldungen veröffentlicht aber nicht weitergeführt

Inklusive PCT und Japanische Patentanmeldungen

Description of WO8909324

Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Leistungsregelung. Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäss des Oberbegriffs des Anspruchs 1.Eine derartige Hubkolben-Brennkraftmaschine ist in der DE-PS 29 15 927 beschrieben, die sich im praktischen Betrieb durch eine ausserordentliche Flexibilität im Betriebsverhalten sowie der Wirkungsgradverbesserung auszeichnet. Als Nachteil hat sich jedoch gezeigt, dass bei ein- und mehrzylindrigen Anordnungen eine die Betriebsweise nachteilig beeinträchtlgende durch die hin und her schwingenden Massen bedingte Vibration auftreten kann.

Ferner kann die Maschine sowohl durch eigene elektromagnetische Störungen als auch durch elektromagnetische Fremdstörungen ebenfalls in ihrer Betriebsweise beeinträchtigt werden. Durch die Tatsache, dass jeder Zylinder mit einem eigenen Motor/Generator und Positionsgeber sowie Steuerungsprozessor ausgestattet ist, ist bei mehrzylindrigen Anordnungen der Bauaufwand hoch. Ferner ergeben sich aufgrund der auftretenden Massenträgheitsmomente der beweglichen Teile Leistungsminderungen des Motors, die als nachteilig empfunden werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Hubkolben Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art konstruktiv so zu verbessern, dass mit geeigneten Mitteln zur Leistungsregelung bei einem verringerten Bauaufwand eine höhere Betriebssicherheit erzielt wird.

Erfindungsgemäss erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die Regel- und Steuereinrichtung als Mikroprozessor mindestens einen Ein-Chip-Prozessor mit monolithischen hochintegrierten Steuerschaltkreisen mit optischen und elektronischen Eingängen und Ausgängen aufweist, der in einem elektromagnetisch abgeschlossenen Gehäuse angeordnet ist und über elektro-optische Impulsgeber mittels Lichtwellenleitern mit Leistungsschaltern und Sensoren zur Messung der Kolbenposition, der Zylindertemperatur und des Druckes im Zylinder verbunden ist, und dass bei einer mehr zylindrigen Ausbildung der Brennkraftmaschine jeweils mindestens zwei Zylinder paarig zueinander in einer Ebene einander entgegengesetzt angeordnet sind, deren Kolben über ihre Zahnstangen im Gegentakt auf eine gemeinsame Freilaufkupplung und einen elektrischen Motor/Generator einwirken.

Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung der Hubkolben Brennkraftmaschine können Störungen, die die Betriebssicherheit in Form von elektromagnetischen Einstreuungen auf längeren Leitungswegen zwischen den bisher als Einzel steuerkreis IC's ausgeführten Bausteinen beeinträchtigen, wegen der ausserordentlich kurzen Leitungswege im nunmehr abgeschirmten Ein-Chip-Prozessor nicht mehr auftreten. Die Steuerimpulse zu den Leistungsschalteinrichtungen werden als Licht- impulse über elektrooptische Impulsgeber von der Regel- und Steuereinrichtung über Lichtwellenleiter zu den jeweiligen Leistungsschaltern geleitet, die ihrerseits über elektrooptische Impulswandler die Steuerimpulse em pfangen und durch sie angesteuert werden.DieSensoren mente, die zur Positions- und Temperaturmessung dienen, geben ebenfalls ihre Informationen als Lichtimpulse über Lichtwellenleiter an die elektronische Regel- und Steuer einrichtung weiter. Hierdurch wird die Betriebssicherheit der Hubkolben-Brennkraftmaschine wesentlich verbessert, da elektromagnetische Strahlungen und Störfelder keinen Zu tritt mehr in den Signalweg derHubkolben-Brennkraftma- schine haben. Die die Betriebssicherheit der Hubkolben Brennkraftmaschine beeinträchtigenden Vibrationen können bei mehrzylindrigen Versionen durch die jeweils paarig zueinander angeordneten im Gegentakt auf eine gemeinsame Freilaufkupplung und einen elektrischen Motor/Generator wirkenden Zylinder weitgehend aufgehoben werden.Die Frei laufkupplungen und die Motor/Generatoren sind mittels geeigneter Zahnräder mit den Zahnstangen in Wirkverbin dung. Die Verringerung der Vibrationen ist bedingt da durch, dass die im gleichen Arbeitshub befindlichen Kolben mit ihren Zahnstangen sich in den Massenkräften aufgrund ihrer zueinander gegensätzlichen Bewegungsrichtungen nach aussen hin aufheben. Gleichzeitig wird, da nur noch jeweils eine Freilaufkupplung mit den Zahnrädern sowie einemMo- tor/Generator in Verbindung mit einem gemeinsamen Kolben/Zylinderpaar arbeitet, die Leistung nahezu verdoppelt, ohne die bewegten Massen wesentlich erhöhen zu müssen.Da sowohl die Freilaufkupplung als auch der mit ihr in Wirkverbindung stehende Motor/Generator notwendige Teile für die Fertigung sind, wird gleichzeitig der notwendige Produktionsaufwand verringert und die Zahl der möglichen Fehlerquellen der Freilaufkupplungen und Motor/Generatoren verringert, was sich ebenfalls positiv auf die Betriebssicherheit auswirkt. Um die bisherige hohe Masse der beweglichen Teile des verwendeten Motor/Generators zu verringern, werden als Motor/Generator elektrische Scheibenläufermotoren eingesetzt,deren Läuferscheiben aus einem dünnen und leichtgewichtigen permanentmagnetischen Material mit einem geringen Massenträgheitsmoment bestehen. Da diese Motoren keine mechanische Kommutierung mehr benötigen, fällt der bisher notwendige Kollektor mit seinenKohlebürsten als zusätzliche Fehlerquelle weg.Auch dies bedeutet neben einer erheblichen Reduktion der bewegten Massen eine bedeutende Erhöhung der Betriebssicherheit der Hubkolben-Brennkraftmaschine.

weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und nachstehend am Beispiel der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 zeigt eine paarige Anordnung einer Mehrzylinder maschine Fig. 2 zeigt die Anordnung des Scheibenläufermotors, Fig. 3 stellt die Kraftübertragung am Beispiel eines
Zylinders dar, Fig. 4 stellt einen Schnitt durch die Antriebseinheit dar, Fig. 5 zeigt eine Gasdruckfeder mit permanentmagnetischer Haltefunktion, Fig. 6 gibt die Ansteuerung einesMagnetscheibenläufer- motors wieder, Fig. 7 zeigt die Ansteuerung der Leistungsschalter, Fig. 8 zeigt die Darstellung der Regel- und Steuereinheit als Einchipprozessoranordnung, Fig. 9 gibt die Ausführung eines elektro-optischen
Positionssensors wieder, Fig. 10 stellt die Ausführung eines elektro-optischen Temperatur-Sensors dar, Fig 11 stellt die Ausführung eines elektro-optischen Gasdruck-Sensors dar.

In Fig. 1 ist schematisch eineHubkolben-Brennkraftma schine mit dem Aufbau einer Mehrzylinder-Anordnung nach demGegentaktprlnzip mit paarigem Zylinderaufbau dargestellt. Hierbei ist eine mehrfach gelagerte Welle als Antriebswelle 39 in der Mitte des Motorgehäuses 10 angeordnet. Auf der Antriebswelle 39 ist für jeweils zwei Kolben/Zylindereinheiten 49 eine Freilaufkupplung 102 vorgesehen. Über eine mit dem Aussenring 36 der Freilaufkupplung 10 verbundene auf der Antriebswelle 39 mitgelagerte Hohlwelle 48 stehen sich die Kolben/Zylinderanordnungen der Kolben/Zylindereinheiten 49 gegenüber. Die Hohlwelle 48 nimmt die Zahnräder für die Kolben/Zylindereinheit 49 und den Motor/Generator 11 auf.Die Bewegungen im Kolben 8 werden mittels ihrer Zahnstangen 7 gegensinnig so geführt, dass bei einem Kompressionshub der Kolben 8 die Freilauf kupplung 10 entkuppelt von der Antriebswelle 39 in die eine Richtung dreht, während beim Arbeitshub der Kolben 8 mit der Freilaufkupplung 10 in die entgegengesetzte Drehrichtung arbeitet und dabei die Antriebswelle 39 mitnimmt.

Jeder Kolben 8 arbeitet hierbei gegen einen mit einem Federelement versehenen als Kompressionsdruckspeicher ausgebildeten Federtopf 66. In den Federtöpfen 66 ist jeweils eine Xompressionsfeder 67 angeordnet, auf der sich die Federdruckplatte 65 der jeweiligen Zahnstange 7 abstützt.

Mit dem Aussenring 36 der Freilaufkupplung 10 ist über ein Kegelradpaar 19 der elektrische Motor/Generator 11 verbunden. Dieser ist als Scheibenläufermotor 13 ausgebildet und dient sowohl als Startermotor zum Herabziehen des jeweiligen Kolbenpaares in die untere Druckpunktlage als auch im Falle der Kompression durch Unterstützen der Freilaufdrehrichtung zum Zuführen zusätzlicher Energie im Kompressionshubraum. Die Erhöhung dr Motorleistung kann dabei durch entsprechendes Hinzufügen weiterer Kolben/Zylinderpaare erreicht werden. Da die Kraftverläufe der Kolbenpaare bei gleicher zugeführter Kraftstoffmenge gleichgross, aber gegensinnig gerichtet sind, treten keine Vibrationen durch die hin und her gehenden Massen auf.

In Fig. 2 ist der elektrische Motor/Generator 11 als Scheibenläufermotor 13 schematisch dargestellt. Er ist aussen am Motorgehäuse 102 der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 angebracht und steht über ein Zahnradpaar geeigneter Übersetzung mit der Freilaufkupplung 10 des jeweiligen Zylinder/ Kolbenpaares in Verbindung. Der Scheibenläufermotor 13 hat dabei beispielsweise eine Läufer- scheibe 14 aus einer leichtgewichtigen hochmagnetischen Werkstofflegierung. Diese Läuferscheibe 14 ist dabei beidseitig von Statorwicklungen 15 umgeben, wobei beispielsweise je Quadrant ein Wicklungspaar für die Vorder- und Rückseite vorgesehen sein kann. Wird jetzt in den Stator- wicklungen 15 ein elektrisches Drehfeld erzeugt, dreht sich die Läu ferscheibe 14 des Scheiben- läufermotors 13 mit der Richtung des angelegten elektrischen Drehfeldes.

In Fig. 3 ist die Kraftübertragung einer einzelnen Kolben/Zylindereinheit 49 schematisch dargestellt. Die im Motorgehäuse 102 untergebrachte Kolben/Zylindereinheit 49 mit Zahnstange 7, die gegen eine Kompressionsspeicherrichtung mit Kompressionsfeder 67 und Elastomerfeder 69 arbeitet, hat den Vorteil, dass im Falle des Fortfalls der Belastung beim Arbeitshub die nicht abgenommene Energie durch die Elastomerfeder 69 zerstörungsfrei abgefedert wird. Der Scheibenläufermotor 13 ist über ein Kegelradpaar 19 mit dem Aussenring 36 der Freilaufkupplung 10 verbunden.

Die hin- und her gehende Bewegung des Kolbens 8 beim Kompressions- und Arbeitshub wird mechanisch auf die Läuferscheibe 14 übertragen. Hierbei kann je nach HubartKom- pressions- oder Arbeitshub in der eigenen oder anderen Drehrichtung Energie durch den als Scheibenläufermotor 13 ausgebildeten Motor/Generator eingebracht oder gewonnen werden.

In Fig. 4 ist ein schematischer Schnitt durch die mechanische Anordnung einer Antriebseinheit einer Kolben/Zylindereinheit 49 dargestellt. Wie oben beschrieben ist die Antriebswelle 39 in einer Hohl- welle 48 auf zwei Lagern 47 gelagert. Die Hohlwelle 48 ist mit dem Aussenring 36 der Freilaufkupplung 10 verbunden. Auf der Hohlwelle 48 sind jeweils die beiden Zahnräder für die Kolben/Zylindereinheit 49 und den Scheibenläufermotor 13 angeordnet.

In Fig. 5 ist eine Gasdruckfeder 106 mit permanentmagnetischer Haltefunktion dargestellt. Sie dient zur Erhöhung der betrieblichen Zuverlässigkeit und damit zur direkten Entlastung des eingesetzen Scheibenläufermotors 13 in der Haltefunktion gegen den Druck des Kompressionsdruckspeichers. Hierzu wird an dem dem Kolben 8 gegenüberliegenden Ende der Zahnstange 7 ein Gegenkolben 107 aus leichgewichtigem weichmagnetischen Werkstoff ausgebildet. Dieser Gegenkolben 107 befindet sich in einem mittels Kolbenringen 108 gasdicht abgeschlossenen Zylinders 109. Die Wand 111 des Zylinders 109 besteht aus einem nichtmagnetischen Material,während der Boden 110 des Zylinders 109 aus permanentmagnetischem Material ausgebildet ist.Der Boden 110 des Zylinders 109 ist dabei so ausgebildet, dass ein starkes Magnetfeld entsteht, welches bei Annäherung des weichmagnetischen Gegenkolbens 107 an den Boden 110 des Zylinders 109 eine starke Zugkraft ausübt, die gegen den Druck des Gaspolsters gerichtet ist, der auf den Gegenkolben 107 einwirkt. Das Gaspolster ist zwischen dem-Gegenkolben 107 und dem Boden 110 ausgebildet. Durch-die Gasdruckfeder 106 wird der Haltestrom und die thermische Belastung der Scheiben- läufermotore 13 der jeweiligen Zylinder/Kolbenpaare entscheident verringert.Neben einer erheb- lichen Erhöhung der Betriebssicherheit des Scheibenläufermotors 13 wird durch die Verringerung des Haltestromes auch der Wirkungsgrad des Gesamtmotors verbessert, da der in den Hubpausen gegen den Druck des Kompressionsspeichers aufzubringende Haltestrom als Verlustleistung in den Gesamtwirkungsgrad der Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 einzurechnen ist. Um die im Kompressionsfalle durch den Magneten geminderte Druckkraft der Gasdruckfeder 106 wieder herzustellen, kann eine elektromagnetische Spule 112 in dem Boden 110 angeordnet sein. Mittels dieser Spule 112 kann mit einem für die Kompressionszeit dauernden Stromstoss durch ein Gegenfeld das Permanentmagnetfeld des Bodens 110 aufgehoben werden. Hierdurch ist es möglich, die im Xompressionsgas enthaltene Energie voll zu nutzen.Es ist auch möglich, den Zylinderkopf 113 aus einem permanentmagnetischen Werkstoff und den Kolben 8 aus einem leichtgewichtigen weichmagnetischen Werkstoff herzustellen. Die Zugkraft des Magneten des Zylinderkopfs 113 unterstützt hierbei die Kompression durch Anziehen des Kolbens 8. Um in der Expansionsphase die Magnetkraft des Zylinderkopfes 113 zu unterbrechen, kann in diesem ebenfalls eine Spule 112 vorgesehen werden, mittels derer taktweise durch ein Gegen feld das Permanentmagnetfeld aufgehoben wird.

Fig. 6 zeigt schematisch die Ansteuerung des Scheibenläufermotors 13. Hierzu sind an der elektronischen Steuerund Regeleinrichtung 20 zwei Leistungsschalter 40, 42 vorgesehen, die jeweils eine Laserdiode 71, 72 aufweisen.

Den Laserdioden 71, 72 ist jeweils ein Lichtwellenleiter 28, 29 zugeordnet, der mit dem optoelektronischen Kommutator 73 des Scheibenläufermotors 13 verbunden ist. Diese Kommutatorschaltung wirkt in bekannter Weise als drehrichtungsabhängige Steuerschaltung mit einer Positionsgebersignalrückführung. Hierzu ist ein weiterer Lichtwellenleiter 13 vorgesehen, der zwischen dem optoelektronischen Kommutator 73 und dem Positionsgeber 50 vorgesehen ist.

Dieser Lichtwellenleiter 30 ermöglicht die Beaufschlagung des optoelektronischen Kommutators 73 mit Positionsrückführsignalen. Im Gegensatz zu den bekannten Vierquadranten-Steuerschaltungen wird hier sowohl das Aufwärtsdrehrichtungssignal wie auch das Positionsrückführsignal optisch zugeführt. Zur Umwandlung dieser Signale besitzt der optoelektronische Kommutator 73 besondere Eingänge in--Form opto-elektronischer Wandler, die im einfachsten Falle ausLichtempfängerdioden bestehen können und die optischen Signale in entsprechende elektrische Steuerimpulse umsetzen Der optoelektronische Kommutator 73 ist mittels eines Schalters 104 mit einer Batterie 105 verbunden.

Fig. 7 zeigt schematisch die Ansteuerung der Leistungsschalter 43, 44, 45, 46 für Spülgebläsemotoren 87, die Zündspule 88, das Einspritzventil 89 sowie das Einlassventil3. Die Leistungsschalter 43, 44, 45, 46 dienen hierbei zur Steuerung des Spülgebläsemotors 87, der Zündspule 88 und somit der zugehörigen Zündkerze als Zündeinrichtung 4, des Einspritzventiles 89 sowie dem Öffnen und Schliessen des Lufteinlassventils 3 für den Zylinder 2. Die Leistungsschalter sind über Lichtwellenleiter 32, 33, 34, 35 direkt optisch ansteuerbar und können beispielsweise als magnetisch abgeschirmte Leistungs-IC's auf Darlington oder CMOS Schalterbasis mit eingebautem Überlastungsschutz gegen Strom und Wärmeüberlastung geschützt sein.Ergänzt werden diese Schutzmassnahmen gegen die Zerstörung der funktionswichtigen Schalterbausteine durch einen wirksamen Überspannungsschutz, beispielsweise auf Basis eingebauter Varistoren. Auch hierdurch ist sichergestellt, dass die Hubkolben-Brennkraftmaschine 1 unter kritischen äusseren Arbeitsbedingungen zuverlässig arbeiten kann.

In Fig. 8 ist die elektronische Regel- und Steuereinrichtung 20 schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Ein-Chip-Prozessor 22, der als Ein-Chip Mikrocomputer ausgebildet ist. Dieser Ein-Chip-Prozessor 22 ist mit einem EPROM 53 verbunden, der das Steuerungsprogramm des Motors aufnimmt. Der Mikrocomputer besitzt ein 8 KByte ROM, einen Zeittaktgeber und A/D Wandler sowie parallele und serielle Schnittstellen als Steuerungs Kommunikationsinterfaces.

Die Ausgänge 54 des Ein-Chip-Prozessors 22 steuern hierbei die elektro-optischen Wandler für die Ansteuerung der Scheibenläufermotoren 13. Dies erfolgt über die in Fig. 6 dargestellten Laserdioden 71, 72, über die die erforderlichen Aufwärts- oder Abwärtsimpulse übertragen werden. Die Leistungsschalter 43, 44, 45, 46 nach Fig. 7 werden ebenso über zugehörige elektro-optische Wandler durch den Ein Chip-Prozessor 22 mit Steuerimpulsen beaufschlagt. Die Eingänge 56 des Ein-Chip-Prozessors 22 können über störungssichere Hochkonstantspannungsquellen angesteuert werden. Die Signalpegel repräsentieren dabei für die A/D Wandler des Mikrocomputers die jeweiligen Eingabewerte für die Kraftstoffmenge, Kompression, Hubzahl usw.. Über eine Schnittstelle 103 ist der Ein-Chip-Prozessor 22 mit einem Display 62 mit serieller Ansteuerung verbunden.Dieses Display 62 kann als farbiges LCD-Display ausgebildet sein und beim Betrieb des Ein-Chip-Prozessors 22 die notwendigen Betriebs- und Wartungsangaben in Form von farbigen Zahlen und Piktogramm-Darstellungen wiedergeben. Zum Schutz vor externen elektromagnetischenStörfeldern ist der Ein-Chip-Prozessor 22 in ein magnetisch und elektrisch abgeschirmtes Gehäuse 27 eingebaut, wie es in Fig. 8 angedeutet ist. Dieses Gehäuse 27 kann so

ausgebildet sein, dass ergänzend sowohl das Eindringen externer Feuchtigkeit verhindert wie auch

die im Ein-Chip-Prozessor 22entste- hende Wärme abgeführt werdenkann Hierdurch wird die Betriebssicherheit des Ein-Chip-Prozessors 22 erhöht.

In Fig. 9 ist ein als optronischer Positionsgeber 57 ausgebildeter Sensor 50 darstellt. Dieser besteht aus einem Gehäuse 74, in dem eine Lochscheibe 75 auf einer Achse 76 drehbar gelagert ist. Die Lochscheibe 75 befindet sich zwischen einer lichtoptischen Abtasteinrichtung 78. Die lichtoptische Abtasteinrichtung 78 ist durch zwei Leuchtdioden 82, 83 sowie zwei Fototransistoren 84, 85 gebildet.

Die eine Leuchtdiode 82 sowie der zugehörige Fototransistor 84 befindet sich auf dem Lochkreis der Lochscheibe 75. Bei geöffneter Lochscheibe 75 steht somit dieLeucht- diode 82 dem Fototransistor 84 gegenüber, was im Falle der Drehung der Lochscheibe 75 einem Schaltimpuls entsprechend der Winkelstellung der Lochscheibe 75 gleichkommt.
Um dieNullwinkelstellung des optronischen Positionsgebers 57 markieren zu können, ist in einer zweiten Spur der Lochscheibe 75 ein weiteres Loch vorgesehen. Auf diesem Lochkreis befinden sich die Leuchtdiode 83 sowie der Fototransistor 85. Die Lochscheibe 75 ist über ein Zahnritzel 77 mit einer Zahnstange 7 der Brennkraftmaschine verbunden. Hierdurch kann die jeweilige Position der Zahnstange 7 und des Kolbens 8 im Zylinder 2 in eine entsprechende Winkelposition der Lochscheibe 75 umgewandelt werden. Der optronische Positionsgeber 57 umfasst ferner einen optronischen Codewandler 79, der aus einem Impulszähler und einem Codierer sowie einem Lichtsender in Form einer Laserdiode besteht.Der Codewandler 79 zählt ab Nullbezug jeweilsauf und abwärts die durch die Kolbenbewegung enstehenden Positionsimpulse und wandelt diese in ein lichtelektro- nisches Positionstelegramm um Das Telegramm wird über einen Lichtwellenleiter 81 an ein optronisches Interface 80 zur Umwandlung in ein für den Ein-Chip-Prozessor 22 geeignetes elektronisches Digitalwort weitergeleitet. Der Ein-Chip Prozessor 22 ist somit in der Lage, weitgehend störungsfrei das Positionssignal der Kolbenstellung zu verarbeiten.
Fig. 10 zeigt schematisch den Aufbau eines optischen Temperatursensors 91 für die Zylinderwandungstemperatur. Er besteht aus einem Sensorgehäuse 92 mit einem Lichtwellenleiteranschluss 95. An der Wand 94 des Sensorgehäuses 92 ist ein Lichtwellenleiter 93 so verlegt, dass die Temperatur der Wand 94 des Sensorgehäuses 92 direkt auf den Lichtwellenleiter 93 übertragen wird. Der Lichtwellenleiter 93 selber ist bezüglich seiner Dämpfung stark temperaturabhängig.
Ein durch ihn geleiteter Lichtstrom wird somit in Abhängigkeit von der Temperatur geschwächt. Der durchgehende Lichtstrom ist daher ein Mass für die augenblicklich am optischen Temperatursensor 91 anliegende Temperatur. Eine nicht näher dargestellte optronische Interfaceschaltung wandelt das vom Lichtwellenleiter 93 übertragene Signal in ein digitales Temperatursignal für den Ein-Chip-Prozessor 22 um. Somit ist der Mikrocomputer über den entsprechenden Lichtwellenleiter 93 weitgehend störungsfrei über die aktuelle Motortemperatur informiert.
In Fig. 11 ist schematisch ein optischer Drucksensor 97 dargestellt. Innerhalb eines Sensorgehäuses 98 mit einer Druckmembran 99 ist ein Lichtwellenleiter 100 verlegt.
Dieser wird direkt von der Druckmembran 99 auf Biegung belastet. Da sich der Brechungsindex des Lichtwellenleiters 100 in Abhängigkeit von der erreichten Durchbiegung ändert, wird das Lichtsignal unterschiedlich gedämpft. Das Mass der Dämpfung entspricht daher dem an der Druckmembran 99 anstehenden Zylinderwandungsdruck, da er innerhalb der Zylinderwandung den augenblicklichen Gasdruck misst. Sein Signal wird ebenfalls über Lichtwellenleiter 100 und ein optronisches Interface an den Ein-Chip-Prozessor 22 weitergeleitet. Der Mikrocomputer kann daher auch stets über den augenblicklichen Gasdruck im Zylinderraum informiert werden.