HOLZGAS – Wood Gas

       Tak sie składa , że w życiu każdego  rodu kultywowane są wspomnienia  Ojca  i  Dziadka, którzy starają  się przekazać  swoje doświadczenia życiowe jako  wskazówki dla nowych pokoleń.  Mój Ojciec został w latach 40 wywieziony na Sybir do pracy w lesie w charakterze pomocnika kierowcy samochodu napędzanego na holzgas.  II Wojna Światowa na terenie ZSRR  przerwała zsyłkę, co skutkowało   powołaniem do wojska,   z  którym zakończył swój szlak bojowy w 1945 roku w szeregach II Armii Wojska Polskiego.   Ponieważ z wczesnego dzieciństwa pamiętam taki samochód, zawsze mnie intrygowało jego działanie, tym bardziej, że samochód ten świecił  na czerwono pod skrzynią ładunkową,  co wyglądało bardzo  tajemniczo szczególnie wieczorem.  Do obowiązków ojca jako pomocnika należało pobranie z magazynu  co najmniej 2-3 worków paliwa, czyli wysuszonych kostek bukowych lub z innego drzewa liściastego,  załadowanie i rozpalenie generatora gazu oraz jego uzupełnianie świeżą zapasową  kostką  w miarę potrzeb , podczas pracy, w trakcie wywózki drewna z  lasu.  Po powrocie do bazy do obowiązków ojca należało wyrzucenie popiołu  oraz konserwacja elementów samochodu, które wymagały bieżącego sprawdzenia i uzupełnienia.  Pan kierowca odpowiadał tylko za jazdę samochodem więc często nie szczędził obelżywych uwag na temat pomocnika, który starał się przeżyć trudny okres zsyłki.

Według Wikipedii  https://pl.wikipedia.org/wiki/Gazogenerator_(czadnica) gazogenerator (czadnica, zgazowarka, generator gazu drzewnego) znane było już w IXX wieku,  jako urządzenie służące do produkcji gazu generatorowego  (drzewnego)  w procesie  zgazowania,  który był zastosowany w pieców grzewczych . W latach 30 XX wieku pojawiło się nowe zastosowanie gazy drzewnego do napędzania silników spalinowych, tzw. generator Imberta.   Typowa instalacja do produkcji gazu generatorowego do zasilania silników spalinowych  składa się z czterech elementów:  gazogeneratora,  odpylacza, chłodnicy i filtra wtórnego. Gazogenerator ładowany był od góry paliwem w postaci  suchych kostek drewnianych, które wrzucane były do leja zasypowego (zamykanego szczelnym wiekiem z uszczelnieniem). Wewnątrz gazogeneratora następowało jego zgazowanie.

Aparatura holzgazbGorący i zanieczyszczony gaz opuszczający gazogenerator trafiał do odpylacza, np. odpylacza cyklonowego w celu usunięcia cząstek stałych, a następnie do chłodnicy. W chłodnicy następowało obniżenie temperatury gazu oraz wytracenie substancji smolistych  i wody. W ostatnim etapie gaz podlegał końcowej filtracji przez  filtr wtórny (powierzchniowy), w którym następowało oddzielenie pozostałych zanieczyszczeń. Oczyszczony gaz po  zmieszaniu z powietrzem  był  zasysany przez silnik jako paliwo napędowe.

W tym przypadku omówienie opatentowanych rozwiązań gazogeneratorów rozpoczyna przedwojenny  patent PL13535B1 Generator gazu o ciągu odwróconym, Societe des Etablissements Cadoux, z 5 czewca 1931 roku.

Holzgaz1

Generator gazu o ciągu odwróconym  składa się z właściwego generatora, chłodnicy i filtra gazu, którego rysunek: Fig.1- przedstawia rzut pionowy całości aparatury; Fig.2-przekrój poprzeczny wzdłuż linii a-b na Fig.1. Generator gazu składa się z lejkowatego zbiornika A na paliwo. Spód generatora zamknięty jest hermetycznie dnem, tworzącym popielnik B.  Palenisko C  umocowane jest miedzy lejkiem A  a popielnikiem B  za pomocą śrub.  Na około paleniska C znajdują  się komory D i E przy czym  komora E umieszczona jest pionowo i centralnie na około paleniska C, co zapewnia realizacje dwóch celów a mianowicie:  chłodzenie  kadłuba paleniska oraz do odzyskiwania ciepła  z tego  paleniska. Takie rozwiązanie zapewnia ogrzewanie powietrza, wsysanego przez otwór   F, które następnie przechodzi przez przewód H do lejka A, celem nasycenia paliwa gorącem powietrzem  oraz  jego  wysuszenia. Druga komora D ma za zadanie zasysać  cieple powietrze   doprowadzone do lejka przez przewód G , jak również parę wytworzona przez wilgotne paliwo. W około tej komory umieszczone było szereg  injectorów    I  komunikujących się z  paleniskiem C,  celem  zasilania strefy paliwa mieszanką powietrza. Z komorą D komunikuje się otwór L,  służący do zapalania generatora i dostarczania nadmiaru powietrza zasilającego  palenisko C.  Gazy przechodzą następnie  przez aparat odpylający  O  i  uchodzą przez otwór  M do chłodnicy składającej się  z jednej rury lub wiązki kilku rur J. Gazy przechodzą następnie przez aparat oczyszczający złożony z jednego lub kilku zbiorników o kształcie cylindrycznym w  których umieszczone są kosze K  ze  zwiniętej siatki metalowej, pokryte powłoką z flaneli.

Podstawowy patent z tej dziedziny US1821263A GAS PRODUCER, George Imbert  stanowi  pierwszą udaną próbę aplikowania generatorów gazu do silników spalinowych, które do tej pory korzystały z zasilania benzynowego, a w szczególności do wytwarzania paliwa  gazowego  z paliw roślinnych, takich jak drewno, torf, łodygi i tym podobne, tzn. z biopaliwa, które jest najszerzej stosowane  i   które przy odpowiedniej obróbce dostarcza gaz i inne produkty energetyczne o wystarczająco wysokiej wartości, aby zastąpić w korzystny sposób lekkie węglowodory, które są mniej lub bardziej rzadkie i niełatwe do wytworzenia .

Holzgaz2

Przedstawiony generator  gazu  zgodnie z niniejszym wynalazkiem rozwiązuje problem wytwarzania gazu do stosowania w pojazdach silnikowych. W tym generatorze strefa zgazowania nie jest całkowicie ograniczona w przestrzeni za pomocą rusztu lub innego elementu strukturalnego lub opadającego paliwa i popiołów. Wręcz przeciwnie, rozciąga się przez  wszystkie przestrzenie robocze zbiornika, które są ze sobą połączone.  Ta okoliczność ma największe znaczenie techniczne, ponieważ umożliwia płynną generacje gazu w generatorze, który jest następnie wykorzystany w silniku spalinowym samochodu bez zakłóceń, które są tak częste w zwykłych generatorach gazu i które czynią te ostatnie niezdatnymi do użytku  do napędu silników. Generator charakteryzuje się również tym, że wychodzący gaz i świeże powietrze potrzebne do spalania wymieniają miedzy sobą ciepło w procesie przepływu w przeciwnych kierunkach.  Wewnętrzna wymiana  ciepła, zapewnia korzystny bilans cieplny  co oznacza,  że utrata ciepła jest niemal całkowicie wyeliminowana. Ponadto, dzięki właściwościom redukującym generowanego gazu i sposobowi odprowadzania gazu, nawet te części generatora,  które są narażone na największe działanie ciepła, nie wypalą się pomimo całkowitego braku ogniotrwałych okładzin . Wszystkie te zalety, do których można dodać niewielką wagę i prostą konstrukcję generatora, sprawiają, że  obsługa i konserwacja generatora jest  ogranicza się jedynie do    zwykłego uzupełnienia przez użytkownika  gazu, paliwa  stałego proporcjonalnie do  jego zużycia  przez silnik spalinowy,  podobnie jak  w przypadku silnika zasilanego paliwem ciekłym. Na dodatek wszystkie czynniki zakłócające prace silnika są  całkowicie wyeliminowane w opatentowanej konstrukcji generatora gazu, którego powstanie można  uznać za ostateczne rozwiązanie problemu napędzania silników pojazdów mechanicznych za pomocą paliwa stałego zamiast ciekłego. Wynalazek jest zilustrowany na załączonych rysunkach przedstawiających  konstrukcje generatora powrotnego, w którym  powietrze jest wprowadzane do spływającego w dół wypełnionego zasobu  paliwa stałego, a gaz jest odciągany  od dołu do góry co zapewnia  eliminacje pochodnych smoły towarzyszących procesowi gazyfikacji wkładu.  Zgodnie z opisem patentowym, Fig.1 przedstawia podłużną sekcję generatora  gazu , Fig. 2 jej przekrój wykonany na linii A-A z Fig.1  Widać, że generator  składa się z trzech współśrodkowych skorup rurowych  1, 2, 3 wykonanych z blachy lub innego odpowiedniego materiału. Wewnętrzna powłoka obejmuje komorę 4 do wytwarzania gazu, która zawiera suche drewno, a dwie zewnętrzne osłony otaczają odpowiednio pierścieniową przestrzeń 5 i 6. Podczas gdy zewnętrzne osłony biegną równolegle od siebie, przy czym wspomniana skorupa wewnętrzna jest  wyposażona w pierścień  nadmuchu 7 , w pewnej odległości od dna 8, przy czym  rura  wewnętrzna 1  posiada sekcje  w kształcie ściętego stożka lub lejka 9 wyposażonego w prosty kanał wylotowy lub odcinek szyjki 10. Koniec  sekcji  lejka 10 znajduje się w zadanej odległości od dna, co zapewnia wylot gazy przez pierścieniową przestrzeń 5 służąca  do odprowadzenia powstałego gazu drzewnego przez  rurą 11, która przechodzi przez przestrzeń 6 w pobliżu wierzchołka struktury. Zewnętrzna pierścieniowa przestrzeń przechodzi przez rury 12 z wydrążonym pierścieniem rozprowadzającym lub rurą 13, która otacza górną część sekcji 10, tzn. strefa grzewcza, komunikuje się ze wspomnianym przewodem przez odpowiednią liczbę promieniowych rur lub dysz 14. W górnej części zewnętrznej osłony znajduje się również wiele wlotów powietrza 15, które są jednolicie  rozmieszczone wokół powłoki. Ponadto, dwie zewnętrzne osłony mają dodatkowe otwory 16 i 17, które normalnie są zamykane za pomocą zawiasowych lub podobnych drzwi i które służą do uruchamiania i czyszczenia urządzenia. Ładowanie urządzenia paliwem odbywa się przez otwór 18 w pokrywie, przy czym otwór jest hermetycznie zamknięty przez pokrywę 19 wyposażoną w urządzenie blokujące 20. Różne części urządzenia są korzystnie połączone przez spawanie, ponieważ  połączenia nitowane lub skręcane za pomocą śrub nie zapewniają niezawodnej eksploatacji w/w generatora gazu silnikowego.

W celu uruchomienia  generatora gazu, ten ostatni jest napełniany do  poziomu dysz 14 za pomocą węgla drzewnego, a dalej za pomocą kawałków drewna lub innych stałych substancji gazyfikowanych.  Następnie paliwo zawarte w sekcji 10 jest rozpalane przez otwór 16,  co powoduje, że powietrze będzie zasysane przez wloty 15  oraz przez pierścień 13 i dysze 14 do sekcji 10, w której w bardzo krótkim czasie (2 minuty lub mniej) zostanie wytworzony gaz  dostarczany przewodem 11  do silnika. Najważniejsze jest, aby strefa gorącego zgazowania miała, jak pokazano na rysunkach, przestrzeń poza sekcją 10, aby zapewnić swobodne  przejście dla gazu wychodzącego. W ten sposób całkowite zatykanie się generatora gazu, które jest tak powszechne, zwłaszcza u producentów wyposażonych w ruszty, jest całkowicie wyeliminowane.  Ponieważ w procesie zgazowania wytwarza się bardzo mało popiołów, urządzenie będzie mogło bez problemu działać przez dłuższy czas. Podczas gdy wytworzony gaz unosi się w górę przez pierścieniową przestrzeń 5, a  powietrze atmosferyczne  do zgazowania przechodzi w dół przez przestrzeń zewnętrzną 6, co zapewnia wymiane ciepła  miedzy paliwem a  zasysanym powietrzem , podczas  gdy generator jest izolowany zewnętrznie.

Kolejny współczesny patent z tej dziedziny  EP2281864T3   Sposób i urządzenie do zgazowywania paliw stałych, Walter Sailer, udzielony prze Europejski  Urząd Patentowy z datą 01.03.2017, może świadczyć, że  temat zgazowywania paliw stałych jest dalej aktualny.Holzgaz3

 Wynalazek w postaci współprądowego  reaktora  redukcyjnego ze złożem  stałym z cyrkulacją wewnętrzną zgodnie z  Fig. 1  i  Fig. 2  składa  się  z  trzech  pojedynczych,   części  konstrukcyjnych, które wsparte są na 4-kątnym rusztowaniu stalowym 21 na czterech zawieszeniach 26.

  1. zdejmowana, ognioodporna, gazoszczelna pokrywa 24 gazogeneratora z mocowaniem  23  oraz  urządzeniem  załadunkowym w  postaci  zasuwy  z  suwakiem  podwójnym z napędem silnikowym 10;
  2. płaszcz stalowy  jako  naczynie  cylindryczne  1  z  ognioodporną  wymurówką  9 oraz zintegrowanymi kanałami wentylacyjnymi 6, jak również przyłączami armatury 8;
  3. zdejmowana część dolna reaktora 23 z zewnętrznym okrężnym przewodem rurowym  4  i  przyłączem  do  8-strumieniowych  dysz  5  układu  dyfuzor-injector  jako wieńca dyszowego, do którego w celu spalenia lub zgazowania paliwa wdmuchuje się mieszaninę  22  gazów  z  gazu  pirolitycznego  7  ze  środkiem  zgazowującym  4, oraz z 8-kątnym pochyłym rusztem wannowym 3 z ruchomą częścią dolną do napędu  ręcznego  lub silnikowego 12, dla pomieszczenia paleniska węgla drzewnego  jako  strefy  redukcji,  jak  również  leżącego  poniżej,  ukośnie  zwężonego  odprowadzenia służącego jako szyb 13 na popiół, z napędzanym silnikiem 19 zsypem 18 na popiół do gazoszczelnego pojemnika 20, ruchomym rusztem 3, jak również króćcami 14, 25 wylotu gazu.

Ze względu na rozbudowany i wyczerpujący opis patentowy analiza rozwiązania gazogeneratora  ograniczona jest jedynie do treści zastrzeżeń, które w sposób wyczerpujący opisują  istotę rozwiązania. Urządzenie do zgazowywania paliw stałych, w szczególności biomasy, w postaci autotermicznego gazogeneratora współprądowego z reaktorem ze złożem stałym, pracującego na podciśnienie, który ma komorę  (2)  reaktora z  fragmentem górnym  (2a)  jako strefą utleniania oraz fragmentem dolnym (2b) jako strefą redukcji, przy czym przewidziane  są  dysze wdmuchujące  (5) układu dyfuzor-injector do wdmuchiwania środka zgazowującego (4), które są umieszczone w obszarze środkowym komory (2) reaktora  między fragmentem górnym (2a) a fragmentem dolnym (2b) i przy czym na fragmencie górnym przewidziano co najmniej jeden górny otwór spustowy, który jest połączony  z  co najmniej  jednym otworem powrotnym  (22) w obszarze środkowym komory (2)  reaktora,  przy  czym  dysze wdmuchujące  (5)  układu  dyfuzor-injector  do wdmuchiwania środka zgazowującego uchodzą do co najmniej jednego otworu powrotnego  (22), a w  fragmencie dolnym przewidziano co najmniej dolny otwór  spustowy, charakteryzuje się tym, że co najmniej górny otwór spustowy jest połączony z co najmniej jednym otworem powrotnym (22) w obszarze środkowym komory (2) reaktora za pomocą wewnętrznych  pionowych  kanałów  bocznych w  reaktorze  ze  złożem  stałym  i że górny otwór  spustowy  jest połączony wyłącznie  z  co najmniej  jednym  otworem powrotnym (22). Jednocześnie  dysze wdmuchujące (5) układu dyfuzor-injector są  rozdzielone  równomiernie wokół obwodu komory  reaktora w postaci wieńca dyszowego, a  górny otwór spustowy  jest połączony z co najmniej  jednym otworem powrotnym (22) za pomocą kanałów bocznych (6), które są umieszczone wewnątrz cylindrycznego płaszcza z blachy stalowej i na zewnątrz ognioodpornej wymurówki (9).   Sposób  zgazowywania  paliw  stałych,  w  szczególności  biomasy,   w  pracującym  na podciśnienie  autotermicznym  gazogeneratorze  współprądowym  ze  złożem  stałym, w którym środek zgazowujący, korzystnie powietrze, jest wdmuchiwany do środkowego fragmentu komory (2) reaktora ze złożem stałym i w którym pierwszy strumień częściowy wdmuchiwanego gazu uchodzi z reaktora ze złożem stałym, prowadzony w przeciwprądzie do góry jako gaz pirolityczny (7), i w którym drugi strumień częściowy wdmuchiwanego gazu uchodzi z reaktora ze złożem  stałym,  prowadzony  we  współprądzie  do  dołu,  charakteryzuje się tymże  pierwszy strumień częściowy (7) jest prowadzony do dołu poza komorą (2) reaktora przez wewnętrzne  pionowe  kanały  boczne w  reaktorze  ze  złożem  stałym  i wraz  ze  środkiem   zgazowującym  (4)  jest  ponownie wprowadzany  do  komory  (2)  reaktora,  przy  czym pierwszy strumień częściowy jest cofany wskutek działania injectora środka zgazowującego  (4)  do  reaktora  ze  złożem  stałym  i  przy  czym  dysze wdmuchujące  dyfuzora poprzez odsysanie, mieszanie oraz wdmuchiwanie ośrodków powodują stałą cyrkulację wewnętrzną strumieni gazów w reaktorze. Dodatkowo  gaz pirolityczny  (7) pierwszego  częściowego strumienia jest w całości zawracany do reaktora ze złożem stałym, a środek zgazowujący (4) jest wstępnie ogrzewany przed wdmuchaniem do reaktora ze złożem stałym.

WNIOSKI

Wracając do historii motoryzacji z okresu II Wojny  Światowe należy zauważyć że wszystkie silniki spalinowe zasilane są oparami, nie płynem. Paliwo płynne jest zgazowywane (odparowywane i mieszane z powietrzem) zanim trafi do komory spalania silnika. W silnikach dieslowskich, paliwo jest wtryskiwane do komory spalania pod postacią drobnych kropelek, które zapalają się po odparowaniu. W tym przypadku celem zgazowywania paliw stałych jest przekształcenie ich na formę gazową i pozbawienie gazu ewentualnych szkodliwych składników, w tym zanieczyszczeń. Gazogenerator jest jednocześnie konwerterem energii i filtrem. Realizacja tych dwóch zadań łączy się z pewnymi utrudnieniami, ale jest również zaletą tego urządzenia. Gazogeneratory występujące pod nazwą  zgazowywacza Imberta, z racji nazwiska twórcy i właściciela patentu,  stały się  powszechnie dostępne w okresie II Wojny Światowej w wyniku rozpoczęcia produkcji przez znane firmy samochodowe, takie jak np. Ford czy Generals Motors. Dla tysięcy biednych Europejczyków, których nie było stać na kupno gotowego gazogeneratora, w cenie ponad 1000$,  budowane w domach, proste gazogeneratory były ratunkiem przed śmiercią głodową. Wykonywano je z elementów takich jak np.: korpusy pralek, stare bojlery czy metalowe butle gazowe. Co może wydawać się zaskakujące – praca tych jednostek była prawie tak samo efektywna i wydajna jak tych produkowanych przemysłowo. Wykonane domowymi sposobami urządzenia wytrzymywały przebieg około 30000 km. Do chwili obecnej istnieją obszerne opracowania o konstrukcji i eksploatacji gazogeneratorów czego przykładem może być omówiony patent europejski Waltera Sailera z 2017 roku.

Wracając do wspomnień, przygoda  mojego Ojca  z samochodem na holzgas  miała dalszy ciąg, który może służyć za kanwę filmu wojennego, szkoda tylko,  że autor już nie może zrecenzować opisanej historii. Tak jak wspomniałem wcześniej Ojciec poszedł na ochotnika   do radzieckiej armii ze względu na głód, który panował na zsyłce, więc jedyną szansą była  Czerwona Armia, która chociaż dawała jeść. Niestety trafił z deszczu pod rynnę, bo jako Polak za niesubordynacje trafił do kompanii karnej, której dni były policzone do następnej ofensywy, po której kompania karna przestawała istnieć. W trakcie przygotowań do ofensywy przybył do kompanii starszy oficer z informacją, że potrzebni są kierowcy do  uruchomienia zdobytych na Niemcach samochodów Opel Blitz Holtzgas. Ojciec długo się nie zastanawiał i zgłosił  na ochotnika, chociaż nigdy nie widział na oczy  takiego samochodu i nigdy nie był kierowcą. „Raz kozie śmierć tak sobie pomyślał” i o  dziwo uruchomił zdobyczny samochód a następnie złapał za kierownice i zaczął  naukę jazdy. Opel_Blitz_truck_ OpelBlitzholzgaz4Dalszy ciąg był do przewidzenia, awansował na kierowcę co zapewniło mu przeżycie nie jednej ofensywy.  Niestety pod Dębicą  1944 roku dostał się z samochodem pod ostrzał i  został ranny w wyniku czego trafił do szpitala w Białymstoku. W trakcie leczenia okazało się że jest Polakiem więc z obawy o swoje życie uciekł ze szpitala i zgłosił się do Polskiej Armii, w której dostał przydział jako kierowca. Karierę frontową skończył w 1945 roku  w  II Armii Wojska Polskiego jako kierowca  trzyosiowego terenowego Studebakera.

Holzgas5

Dodatkowo analiza przedstawionych materiałów wyjaśniła również  zagadkę świecącego  samochodu na holzgas, ponieważ źródłem czerwonego światła były rozgrzane rury chłodnic gazu 2 umieszczone pod skrzynią ładunkową samochodu podobnego do ZIS-21, którego schemat funkcjonalny zawiera załączona dokumentacja eksploatacyjna.

 Jako ciekawostkę z tego zakresu historii motoryzacji można potraktować I rozdział instrukcji Газогенераторные автомобили ЗИС-21 ZIS21gazogenerator techniczno-eksploatacyjnej samochodu ZIS-21 z okresu II Wojny Światowej,  która jest w całości dostępna w Internecie:  http://autoinfo24.ru/rukovodstva-po-remontu/otechestvennye-avtomobili/amo-zis-zil

Krótki film ilustrujący wyglad  ЗИС 21 Газогенераторный  przedstawia film 

https://www.youtube.com/watch?v=8qGwy3nHs1M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reklamy

List of blog contents 2016-2018

Wykaz tematów opisanych na blogu w latach 2016-2018 

Spis pozycji  bloga 2016-2018 z ikonkami ilustracyjnymi

Lead-acid battery

6 lis 2018 12:19

Central Processing Unit in a Single Chip

7 paź 2018 13:11

Ignacy Mościcki – elektrochemik, który został prezydentem

4 wrz 2018 10:59

HYBRID SYNERGY DRIVE

7 sie 2018 11:56

WALKIE-TALKIE

3 lip 2018 13:59

TPMS – Tire Pressure Monitoring System

6 cze 2018 20:54

Gundlach Periscope

4 maj 2018 19:36

Frequency–hopping spread spectrum

5 kwi 2018 18:33

Modular Firearm System GROT

5 mar 2018 17:26

STEN Home Army

5 lut 2018 10:05

Railgun – działo elektromagnetyczne

8 sty 2018 12:42

Magnetic amplifier APN – 45 lat

13 gru 2017 13:31

Endoproteza kolana bez oliwienia

15 lis 2017 15:40

SATA – Kody w życiu codziennym

15 paź 2017 14:41

Patriot mobile radar

17 wrz 2017 13:08

Renault ZOE samochód elektryczny

7 sie 2017 10:29

Trolle patentowe w wydaniu amerykańskim

19 lip 2017 10:24

Samochód hybrydowy to symbioza mechaniki z elektroniką.

1 cze 2017 12:23

Samochody hybrydowe nabierają wiatru w żagle

5 maj 2017 18:14

Składane płetwy

29 sty 2017 20:19

Cofaj, cofaj – BUM! , No jak cofałeś !

5 sty 2017 16:07

Rewolucja w konstrukcjach zasilaczy impulsowych

1 gru 2016 11:59

Wariacie na temat silnika spalinowego

1 lis 2016 11:21

Polski wkład w rozwój UAV

5 paź 2016 17:48

W hołdzie polskim inżynierom wojskowym II Rzeczpospolitej

20 wrz 2016 15:43

POTRZEBA JEST MATKĄ WYNALAZKÓW

30 sie 2016 09:55

ENIGMA to przykład mutacji patentu.

1 sie 2016 15:09

Perełka radarowa na UKRAINIE

11 lip 2016 20:03

Efekty wojny wywiadów to też patenty

20 cze 2016 17:14

Rower z przekładnia planetarną to dopiero patent

23 maj 2016 21:07

Antena DVB-T z patentem i wzorem przemysłowym

11 maj 2016 17:52

Wiosenny spacer z patentem

22 kwi 2016 12:09

Siusanie po ścianie to jest wyzwanie

11 kwi 2016 15:53

Polacy nie gęsi też swoje patenty mają

29 mar 2016 16:09

Achilles w patentach.

22 mar 2016 16:15

OD POMYSŁU DO PRZEMYSŁU

16 mar 2016 10:20

WZÓR PRZEMYSŁOWY ALEŻ TO BARDZO PROSTE.

13 mar 2016 14:43

Jak wytłumaczyć napięcie elektryczne oraz natężenie prądu na „chłopski rozum” ?

12 mar 2016 22:56

Lead-acid battery

     Powód zainteresowania konstrukcją akumulatorów samochodowych wynika z faktu, że pewnego dnia gdy zaczęły się przymrozki, mój samochód dał plamę, to znaczy nie dał się uruchomić, bo padł akumulator. Moja Słoneczko skwitowała awarie samochodu stwierdzeniem, że musze kupić nowy akumulator bo kolejne próby ładowania 6 letniego akumulatora nie przynoszą rezultatów. Na dodatek znalazłem informacje, że stan naładowania akumulatora można bardzo prosto określić za pomocą pomiaru jego napięcia na biegunach. Według fachowców naładowany akumulator ma napięcie w zakresie 12,4 V do 12,8 V. Jeżeli wartość tego parametru jest bliższa tej dolnej granicy, trzeba liczyć się z tym, że następnego poranka akumulator może nie mieć wystarczającej energii do odpalenia silnika. Dzięki stałej kontroli napięcia możemy odpowiednio wcześnie wykryć zbliżające się rozładowanie i podłączyć akumulator do prostownika na noc”. Szczególnie przydatne jest sprawdzenie napięcia akumulatora po weekendzie lub urlopie, podczas których nie korzystaliśmy z samochodu. Co pewien czas warto także kontrolować natężenie postojowe (energia pobierana przez zamknięty i wyłączony samochód, np. w celu podtrzymania pamięci radia i zasilania alarmu), które za niewielkie pieniądze można sprawdzić u każdego elektromechanika. Podwyższona wartość natężenia postojowego jest bowiem jedną z głównych przyczyn rozładowań akumulatora.

   W moim przypadku okazało się że naładowany kilkakrotnie akumulator po dniu parkowania posiada napięcie poniżej 12,4 V co oznaczało, że moje Słoneczko znowu ma racje i trzeba kupić nowy akumulator. Po analizie ofert nowych akumulatorów napaliłem się jak Martens ( stare dobre powiedzenie obowiązujące w socjalizmie, chodzi o piec martenowski) na akumulator Centra Futura Carbon Boost, który ładują się do 1,5 razy szybciej dzięki zastosowaniu opatentowanych dodatków węglowych. Technologię tę odkryto podczas prac rozwojowych nad konstrukcjami AGM (Absorbent Glass Mat), co doprowadziło do polepszenia zdolności przyjmowania ładunku i znaczącego zmniejszenia czasu ładowania. Akumulator Centra Futura Carbon Boost został zaprojektowany, aby sprostać ekstremalnym temperaturom i wymaganiom pojazdów z bogatym wyposażeniem, intensywnie użytkowanym. Centra Futura Carbon Boost ma lepszą zdolność przyjmowania ładunku (ładuje się do 1,5 razy szybciej niż standardowe akumulatory). Często akumulator jest pierwszą przyczyną awarii samochodu. Dzięki szybkiemu ładowaniu akumulator jest naładowany w większym stopniu, co w określonych warunkach użytkowania (niskie temperatury, ruch miejski) przekłada się na wydłużenie żywotności akumulatora.
Na dodatek w materiałach reklamowych widnieje, że Technologia Centra Carbon Boost charakteryzuje się odpornością na zasiarczenie płyt akumulatorowych, które to zjawisko towarzyszy codziennej eksploatacji współczesnych akumulatorów samochodowych. Omawiany problem zasiarczania wynika z faktu, że w wyniku rozładowywania akumulatora nieprzewodzące cząsteczki siarczanów stopniowo pokrywają płyty ujemne, izolując je od elektrolitu. W takiej sytuacji duża ilość energii jest wykorzystywana na rozpuszczenie siarczanów, co obniża efektywność ładowania. Zastosowany wysoko-powierzchniowy węgiel tzw. Active Carbon w akumulatorach Centra Futura Carbon Boost zapewnia doskonałe przewodnictwo, dzięki czemu siarczany rozpuszczają się znacznie szybciej.
Przechodząc do planowanej akcji zakupu akumulatora, ze zdziwieniem dowiedziałem się podczas wizyty w hurtowni akumulatorów, że jeżeli chce mieć kłopot to mogę kupić wybrany akumulator, ale fachowiec mi go nie poleca bo ma smutne doświadczenia i dużo reklamacji. Po namyśle posłuchałem fachowca i kupiłem akumulator Bannera Power Bull, bo znam fachowca od lat i słucham mądrych ludzi. Stąd wniosek patent, patentem, a praktyka weryfikuje opatentowane wyroby.

       Według Wikipedii:  Akumulator kwasowo-ołowiowy –  to rodzaj akumlatora elektrycznego,  opartego na ogniwach galwanicznych  zbudowanych z elektrody  ołowiowej , elektrody z dwutlenku ołowiu  (PbO2)  oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu.   Każde ogniwo składa się z: –anody   wykonanej z metalicznego ołowiu : (−) w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania; –separatora izolującego elektrody między sobą;  –katody wykonanej z PbO2 (+) w trakcie poboru prądu i (−) w trakcie ładowania; –elektrolitu, którym jest ok. 37% wodny roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami.   W trakcie poboru prądu z akumulatora, na elektrodach zachodzą następujące reakcje chemiczne.

1Reakcje akumlatora

    Na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan ołowiu (PbSO4), a w  trakcie  ładowania zachodzą dokładnie  takie same reakcje,  tyle  że  w drugą stronę.    W naładowanym akumulatorze gęstośc elektrolitu wynosi 1,26–1,28 g/cm³ (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym: 1,23 g/cm³). Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stężenia elektrolitu, jego gęstości i poziomu. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8 V na ogniwo (10,8 V w 12-woltowym akumulatorze samochodowym), a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm³, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można i należy mierzyć areometrem (a nie woltomierzem, zwłaszcza bez obciążenia), każda cela osobno. Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest odwracalny. Siarczan ołowiu jednak po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny (elektryczny izolator), powodując tym samym spadek pojemności akumulatora. W takiej sytuacji niemożliwe staje się naładowanie akumulatora, gdyż skrystalizowany siarczan ołowiu nie bierze udziału w procesach chemicznych. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Istnieje też procedura regeneracji (odsiarczania) akumulatorów.

    Pierwszy patent  US7851082 Accumlator with cover having tip-safe feature, Gelbke et al.,Banner GmbH, Data patentu 14.12.2010, przedstawia konstrukcje bezobsługowego akumulatora ołowiowego który posiada dodatkowe zamknięte komory  gazowe przypisane do każdego ogniwa, przy czym każda z tych komór połączona jest z odpowiednim ogniwem za pomocą otworu odpowietrzającego. Przykładowa realizacja przykładu wykonania akumulatora według wynalazku przedstawiona jest na rysunku  gdzie: Fig.1 – pokazuje dolną i górną pokrywę komór odpowietrzających w widoku perspektywicznym; Fig.2 – pokazuje dolną osłonę z FIG. 1 w widoku z góry; Fig.3 – pokazuje zmianę górnej pokrywy w widoku od dołu; Fig.4 – pokazuje przekrój przez pokrywę bloku w obszarze komory ogniwa; Fig.5-8 – pokazuje zmianę  poziomu kwasu we wgłębieniach dolnej pokrywy, jeżeli akumulator jest przechylony w lewo, prawo, do tyłu, do przodu; Fig.9-11 – przedstawia górną pokrywę mającą trzy występy zatyczkowe w przekroju poprzecznym, w widoku z góry oraz w przekroju wewnątrz powiązanego otworu do napełniania; Fig.12-17 –przedstawia wariant z korkiem uszczelniającym w różnych rzutach.

3Banner

Według   opisu  pokrywa blokowa akumulatora przedstawiona na Fig.1 zawiera dolną pokrywę 1  i górną pokrywę 2, pomiędzy którymi realizuje się komory  gazowe, które mają postać sześciu  wnęk   3, 4, 5, 6, 7, 8, odpowiednio  dla każdej z sześciu sekcji akumulatora.  Otwory 9, 10, 11, 12, 13,14 , w jego  dolnej pokrywie, są  przewidziane do napełniania dla każdej sekcji akumulatora, przy czym dla każdego ogniwa w dolnej pokrywie 1 znajdują się  również wyloty gazu 15, 16, 17, 18, 19, 20, które przypisane są  do odpowiednich wymienionych wnęk 3-8. Wykonane wyloty posiadają  wymiary które zapewniają wypływ kwasy z komór do zagłębień 3-8 w przypadku krótkiego przewrotu lub przechyłu akumulatora. Wyloty gazu 15-20, które są  zilustrowane na Fig.2  w  widoku dolnej pokrywy  1  od  góry, mają przekrój kołowy o średnicy 3mm. Otwory  do napełniania kolejnych komór 9-14 są  uszczelnione za pomocą korków uszczelniających 10, które są wkręcane za pomocą gwintu 22, Fig.4.  Wnęki 3-8 według  Fig.2, zawierają  pierwszy obszar 3.1, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1, 8.1 i drugi obszar 3,2, 4,2, 5,2, 6,2, 7,2, 8,2, które są połączone  miedzy sobą za pomocą   pierścieniowych  sekcja  31 pomiędzy korkiem uszczelniającym a ścianą otworu do napełniania 9-14. Sekcja ta  może rozciągać się wokół całego obwodu uszczelniającego korka, tzn. około 360°, jednakże może również rozciągać się tylko wokół  części jego  obwodu.  Zgodnie z opisem Fig.2  wyloty gazu 15-20, które  leżą w pierwszych obszarach 3.1-8.1 wnęk 3-8 są połączone wlotami 32  z obszarem skojarzonego otworu do napełniania 9-14.  Z kolei drugie regiony  3.2-8.2 wnęk 3-8 są połączone przez wylot 33 z obszarem skojarzonego otworu do napełniania 9-14, dzięki  czemu  tworzą  odprowadzenia do centralnego kanału odpowietrzającego 34, który biegnie wzdłuż jednego długiego boku akumulatora, z przeciwległymi końcowymi biegunami 35, 36.  Wnęki 3-8 są podzielone przez ściany 37 na komory, które są zaprojektowane w kształcie labiryntu. Różne projekty labiryntów pokazano na Fig.2, gdzie różne  warianty są  zilustrowany w każdej z sześciu wnęk ze względu na uproszczone przedstawienie. W praktyce ten sam kształt lub symetryczny lustrzany kształt komora w kształcie labiryntu może być  stosowany dla każdej wnęki 3-8.  Podczas pracy akumulatora, gazy oddzielone od kwasu mogą osiągnąć pierwsze obszary 3.1-8.1 wnęk 3-8 przez wyloty gazu 15-20, a stamtąd przez wloty  32 i wyloty 33,  otworów 9-14, przedostają się do drugich rejonów  3.2-8.2, połączonych z  centralnym kanałem  odpowietrzającym 34. W przypadku przechylenia akumulatora, kwas wchodzi do wnęk 3-8 przez wyloty gazu 15-20, a gdy  akumulator odzyskuje swoją normalną pozycję, kwas przepływa z powrotem przez nachylenie powierzchni przepływu wstecznego 38 do wylotów gazu 15-20,  a następnie przez  nie  do odpowiednich  cell  (sekcji) akumulatora. Fig.12-15 przedstawiają przykładową postać uszczelniającego korka 23, który ma łeb 24, pierwszą uszczelkę 25 do uszczelniania względem górnej pokrywy 2, obszar 26 o mniejszej średnicy, drugą uszczelkę 27 do uszczelniania w odniesieniu do dolnej pokrywy 1,  zewnętrzny gwint 28, przy użyciu którego uszczelniający korek 23 może być wkręcony w wewnętrzny gwint 22 otworu napełniania 10. W głowicy korka  24 znajduje się wgłębienie 29 w kształcie krzyża, do którego można włożyć odpowiednie narzędzie, aby wkręcić lub odkręcić korek uszczelniający 23.  W przykładzie wykonania pokazanym na Fig.15, dolna pokrywa 1 i górna pokrywa 2 są zgrzane wzdłuż płaszczyzny podziału 30. Płaszczyzna podziału 30 leży w obszarze  pierścieniowej sekcji  31 utworzonej przez cylindryczny  wpust  26 korka  uszczelniającego.

Reasumując akumulator ołowiowy, posiadający obudowę obejmującą wiele sekcji (cell)  i pokrywę, w tym pokrywę dolną 1  i pokrywę górną  2, pomiędzy którymi realizowana są komory  gazowe do rozdzielania kwasów, które posiadają postać  wnęk 3-8, odpowiadających liczbie sekcji, przy czym  każda z nich ma co najmniej jeden otwór odpowietrzający15-20 oraz  otwór napełniający 9-14 w pokrywie dolnej 1. Wyloty gazu 15-20, które znajdują się każdym  odpowiednim wgłębieniu 3-8 w pewnej odległości od otworu wlewowego 9-14 w dolnej pokrywie 1, są  tak zwymiarowane, że w przypadku krótkiego wywrócenia akumulatora, z komór  akumulatora  nie może wydostać się więcej kwasu niż jest odbierany przez wnękę 3-8, do niej przypisaną. Dodatkowo konstrukcja akumulatora charakteryzuje się tym, że każda wnęka 3-8  zawiera pierwszy obszar 3.1-8.1 i drugi obszar 3.2-8.2, z których każdy jest połączony z przestrzenią  otworu do  napełniania 9- 14, zamkniętym  korkami i uszczelniającymi 23. Korki uszczelniające  23 mają pierwszy  pierścień  uszczelniający 25 w stosunku do pokrywy górnej 2  i drugi pierścień  uszczelniający 27, względem pokrywy dolnej 1,  pomiędzy którymi znajduje się cylindryczna przestrzeń  łącząca wloty 32 i  wyloty 33, które zapewniają, że wnęki 3-8 są podłączone do centralnego kanału odpowietrzającego 34.

Drugi patent  US8765297  Advanced graphite additive for enhanced cycle-life of lead-acid batteries, Exide Technologies, Jagannathan at al. Data patentu: 1.06.2014 zastrzega konstrukcje akumulatorów ołowiowo-kwasowych w których zastosowano  ujemna  pastę aktywną (NAM – negative active material),  zawierającą Advanced Graphite, która ma domieszkę grafitową z mniejszym zakresem uporządkowanych domen węglowych i powierzchnią czynną  większą dziesięciokrotnie  w stosunku do znanych dodatków  grafitowych stosowanych w technice  akumulatorów. Gdy akumulator  cyklicznie przełącza się pomiędzy ładowaniem i rozładowywaniem, efektywność rozpuszczania PbSO4 i konwersji do metalu Pb zmniejsza się z czasem. W wyniku tego ilość PbSO4 wzrasta na powierzchni płytki ujemnej i z czasem tworzy nieprzepuszczalną warstwę PbSO4, ograniczając w ten sposób dostęp elektrolitu do elektrody. Aby zapobiec utracie wydajności w  płytach ujemnych stosuje się chemiczne dodatki (expanders), których zadaniem jest zapobieganie zmianom strukturalnym w materiale elektrody,  oraz zmniejszeniu wzrostu siarczanu ołowiu, a tym samym poprawie wydajności akumulatora.

2Futtura Zastosowane expandery posiadają skład mieszaniny sadzy, pochod- nych ligniny (np. lignosiarzanów, lignosulfonianów) i siarczanu baru (BaSO 4). Te ekspandery mogą być wprowadzane na ujemne płytki baterii na kilka sposobów,  w  tym dodawanie poszczególnych składni-ków do mieszanki pasty  lub dodawanie wstępnie zmieszanego preparatu. Sadza jest zwykle dodawana do ujemnego materiału aktywnego (NAM) w celu zwiększenia: przewodnictwa elek-trycznego;  pola czynnej  powie-rzchni NAM; i  zarodkowania kryształów PbSO4. Sadza jest zasadniczo czystym węglowym pierwiastkiem, zwykle w postaci koloidalnych cząstek wytwarzanych w wyniku niepełnego spalania lub rozkładu termicznego gazowych lub ciekłych węglowodorów w kontrolowanych warunkach. Jest to czarny, drobno rozdrobniony granulat  lub proszek. Obecność pochodnych ligniny  pomaga zapobiegać tworzeniu się zaporowej  warstwy PbSO4 na powierzchni ujemnej  elektrody i ułatwia tworzenie porowatej warstwy zbudowanej z indywidualnych kryształów PbSO4. Siarczan baru, który jest izomorficzny z PbSO4, działa jako czynnik zarodkujący i zapewnia równomierny rozkład kryształów PbSO4 w całej objętości masy aktywnej. Zdolność siarczanu baru do działania jako miejsce strącania siarczanu ołowiu wynika z podobnych struktur obu związków. Obojętny siarczan baru zapewnia dużą liczbę miejsc do wytrącania krystalitów siarczanu ołowiu, a tym samym zapobiega ich odkładaniu się jako cienkiej, nieprzepuszczalnej, pasywnej folii PbSO4. Stwierdzono również, że siarczan strontu jest również skutecznym ekspanderem. Z kolei w elektrodach dodatnich akumulatora stosuje się dodatki przewodzące, takie jak BaPbO3 (Barium metaplumbate);  Pb3O4 (czerwony ołów), związki na bazie tytanu (np. Ti4O7, TiSi2, TiO2) i grafit, które zostały  użyte w celu poprawy gęstości mocy i odporności na korozję. Od kilku dekad węgiel jest popularnym dodatkiem do NAM w akumulatorach ołowiowo-kwasowych. Chociaż rola węgla w NAM może być ogólnie niejasna, zidentyfikowano kilka korzystnych efektów. Na przykład, węgiel zarodkuje kryształy PbSO4, dając w wyniku mniejsze kryształy, które mogą być łatwiej rozpuszczone w elektrolicie podczas procesów ładowania. Ogranicza to postęp w procesie zasiarczania płyt ujemnej ( poprzez  tworzenie warstwy PbSO4)  i zwiększa żywotność baterii. Pory węgla  o dużej powierzchni mogą działać jako rezerwuar dla elektrolitu w NAM, zmniejszając tym samym możliwość wysychania płyty. Sadze i węgiel aktywny mają zdolność akceptowania wyższego ładunku z powodu ich wyższych powierzchni i zwiększonej dostępności elektrolitu. Niestety, ze względu na ich porowate struktury, sadze i węgle aktywne mają słabą retencję na wielkość cząstek podczas mieszania pasty. W wyniku tego sadza i węgiel aktywowany często rozpadają się, powodując wypadanie węgla z płytki w pewnym okresie czasu, co powoduje zrzucanie materiału aktywnego z kratek.

Istotą wynalazku jest zastosowanie grafitowego węgla o większym stopniu wadliwych miejsc w regularnych warstwach grafenu. Mniejsza regularność warstw grafitowych daje grafit o korzystnej powierzchni około 300 m2/g, w porównaniu do typowych powierzchni grafitu, które wynoszą między 10 a 30 m2/g. Oznacza to, że dodatek do NAM na bazie węgla może być materiałem grafitowym mającym powierzchnię właściwą w przybliżeniu 250 do 350 m2/g i można go mieszać z ujemną, suchą, nieformowaną pastą mającą powierzchnię większą niż 3 m2/g. Stężenie dodatku na bazie węgla w stosunku do pasty może wynosić około 2 do 3% wagowych. W alternatywnych przykładach wykonania, dodatek na bazie węgla może być nieuporządkowanym dodatkiem węglowym (obejmującym, na przykład, Advanced Graphite) w ujemnym materiale aktywnym o krystaliczności 60% lub niższej,  początkowej temperaturze rozpadu 650°C, lub niżej i  zakresie  temperatury rozkładu co najmniej 170°C lub więcej. Ze względów na specyfikę załączonych rysunków, które są czytelne jedynie dla wąskiej grupy fachowców  z  tej branży, proponuje omówić tylko  przykładowe konstrukcje akumulatora  wykorzystujące pastę  NAM  z dodatkiem Advance Carbon, załączone na rysunku Fig.6,7,8.  Zgodnie z rysunkiem Fig.6, który  jest schematem  złożeniowym przykładowego pryzmatycznego akumulatora  kwasowo-ołowiowego zrealizowanego według omawianego  wynalazku, akumulator  600 wykonany z zastosowaniem pasty z dodatkiem  Advance Carbon,  składa się z dolnej obudowy 610 i pokrywy 616. Wnęka utworzona przez dolną obudowę 610 i wieczko 616 mieści szereg płyt, które wspólnie tworzą pozytywne opakowanie płyt 612 (to jest elektroda dodatnia) i pakiet ujemnej płyty 614 (to jest elektroda ujemna). Elektrody dodatnie i ujemne zanurzone są w kąpieli elektrolitycznej wewnątrz obudowy. Płytki elektrod są izolowane od siebie za pomocą porowatego separatora 606, którego główną rolą jest wyeliminowanie wszelkiego kontaktu między płytami dodatnimi 604 i płytkami ujemnymi 608, utrzymując je w minimalnej odległości od siebie. Każda  anodowa paczka płyt 612 i zestaw płyt katodowych 614 mają elektrycznie łączący pręt przemieszczający się prostopadle do kierunku płytki, który powoduje, że wszystkie dodatnie i ujemne płyty są połączone elektrycznie,  zwykle za pomocą wypustu na każdej płytce. Elektrycznie połączony z każdym prętem łączącym jest słupek łączący lub końcówka (to jest, dodatnia 620 i ujemna słupka 618). Pastę Advanced Carbon według niniejszego opisu można wtłaczać w otwory kratowych płytek 602, które, w niektórych przykładach wykonania, mogą być nieco zwężane z każdej strony dla lepszego utrzymania pasty. Chociaż przedstawiono pryzmatyczną baterię kwasowo-ołowiową AGM  (Absorbent Glass Mat), dodatek Advance Carbon można stosować z dowolną baterią kwasowo-ołowiową, w tym na przykład z zalanymi/mokrymi komórkami i/lub komórkami żelowymi. Jak pokazano na Fig.7, kształt baterii nie musi być pryzmatyczny, może być cylindryczny w postaci szeregu cylindrycznych komórek rozmieszczonych w różnych konfiguracjach (na przykład sześciu-pak lub sześciu-pak z off-set). Pastę węglową można następnie nakładać na siatkę ze stopu  ołowiu, która może być utwardzana w wysokiej temperaturze i wilgotności. W cylindrycznych komórkach, płytki dodatnie i ujemne są walcowane z separatorem wklejanym  do spiralnych komórek przed utwardzaniem. Po utwardzeniu płyty są następnie suszone w wyższej temperaturze i montowane w obudowie baterii. Odpowiedni kwas grawitacyjny może być użyty do napełnienia obudowy akumulatora. Baterie są następnie formowane przy użyciu zoptymalizowanego procesu tworzenia akumulatorów węglowych. Proces formowania może obejmować, na przykład, serię etapów ładowania prądem stałym lub stałym, wykonywanych na akumulatorze po napełnieniu kwasem, w celu przekształcenia tlenku ołowiu w tlenek ołowiu w dodatniej płycie i tlenku ołowiu w metaliczny przewód w płycie ujemnej. Zasadniczo, ujemne płytki zawierające węgiel mają niższy materiał aktywny (tlenek ołowiu) w porównaniu z płytkami kontrolnymi. Z kolei Fig.7 ilustruje zwiniętą spiralnie baterię ołowiowo-kwasową 700, która może być używana z pastą Advance Carbon. Podobnie jak w pryzmatycznej baterii kwasowo-ołowiowej 600, nawinięta spiralnie bateria kwasowo-ołowiowa 700 składa się z dolnej obudowy 710  i  wieczka 716. Wnęka utworzona przez dolną obudowę 710 i wieczko 716 mieści jedną lub więcej ściśle ściśniętych komórek 702. Każda ściśle ściśnięta komórka 702 ma arkusz 704 elektrody dodatniej, arkusz 708 elektrody ujemnej i separator 706 (np.: separator z chłonnej maty szklanej). Akumulatory AGM wykorzystują cienkie, gąbczaste, absorpcyjne separatory maty szklanej 706, które pochłaniają wszystkie elektrolity w płynie podczas izolowania arkuszy elektrod. Pastę zawierającą węgiel można wytworzyć o optymalnej lepkości (260-310 gramów/cal sześcienny) i penetracji (38-50). Pastę węglową można następnie nakładać na siatkę ze stopu ołowiu, która może być utwardzana w wysokiej temperaturze i wilgotności. W cylindrycznych komórkach, płytki dodatnie i ujemne są walcowane z separatorem wklejanym  do spiralnych komórek przed utwardzaniem. Po utwardzeniu płyty są następnie suszone w wyższej temperaturze i montowane w obudowie baterii. Odpowiedni kwas jest następnie użyty do napełnienia obudowy akumulatora. Baterie są następnie formowane przy użyciu zoptymalizowanego procesu tworzenia akumulatorów węglowych. Fig.8 jest schematem blokowym pokazującym sposób przygotowania pasty Advance Graphite i nałożenia jej na elektrodę baterii. Aby utworzyć pastę, składniki pasty (np. Advanced Graphite, grafit, sadzę, pochodne ligniny, BaSO 4, H2SO4, H2O itp.) Miesza się aż do osiągnięcia żądanej gęstości (np. 4,0 do 4,3 g/cm3). ) jest zdeterminowany. Pastę zawierającą węgiel można wytworzyć przez dodanie do mieszalnika tlenku ołowiu, jednego lub więcej rozprężaczy węglowych i polimerycznych włókien, mieszanie materiałów przez 5-10 minut za pomocą mieszalnika łopatkowego (800). Pasta węglowa (np.: zawierająca Advance Graphite) będzie korzystnie zawierała 0,5-6% dodatku na bazie węgla wagowo, przy bardziej korzystnym zakresie około 1-4% lub 1-3%. Jednakże najkorzystniejsza pasta węglowa zawiera około 2-3% wagowych dodatku na bazie węgla.

     Przechodząc na nasze podwórko należy odnotować szereg patentów z zakresu akumulatorów  ołowiowo-kwasowych wyposażonych w co najmniej jedna elektrodę  na bazie porowatej przewodzącej prąd matryce węglowej. Przedmiotem wynalazku PL211918B1 Kolektor prądu elektrod akumulatora ołowiowo-kwasowego oraz akumulator ołowiowo-kwasowy, INSTYTUT CHEMII PRZEMYSŁOWEJ, Andrzej Czerwiński et al. , Data patentu: 31.07.2012, jest kolektor prądu elektrod akumulatora ołowiowo-kwasowego zawierający przewodzący porowaty węgiel, stanowiący podłoże, pokryty co najmniej częściowo warstwą ołowiu oraz wyprowadzenie elektryczne, w którym wyprowadzenie elektryczne stanowi co najmniej jeden lub więcej pasków  metalicznego ołowiu przewleczonych odpowiednio przez co najmniej jeden lub przez więcej otworów  znajdujących się przy krawędzi wzdłuż jednego z boków podłoża  z przewodzącego porowatego węgla i połączonych w jeden przewód wyprowadzający.

PL211918

Na załączonych rysunkach: Fig.1 pokazuje przykładowy kolektor z wyprowadzeniem otrzymanym sposobem według wynalazku w widoku ogólnym, przy czym dla jasności rysunku ograniczono się do elementu z jednym złączem pasek/podłoże; Fig.2a przedstawia przykładowy kolektor w przekroju poprzecznym w miejscu złącza, w którym powierzchnia porowatego przewodzącego węgla jest pokryta warstwą ołowiu wraz ze złączem pasek/ podłoże; Fig.2b przedstawia przykładowy kolektor w przekroju poprzecznym w miejscu złącza, w którym powierzchnia porowatego przewodzącego węgla jest pokryta warstwą ołowiu. Złącze pasek/podłoże nie jest pokryte ołowiem; Fig.3 a przedstawia wykres rozładowania w dziesiątym cyklu pracy elektrody ujemnej akumulatora ołowiowo-kwasowego zawierającej kolektor według wynalazku, zanurzonej przez 7 dni w 38% H2SO4. Czas rozładowania 16 godzin, prąd rozładowania 100mA, pojemność 1,61 Ah (92% nominału). Fig.3b przedstawia pracę cykliczną elektrody ujemnej akumulatora w 38% H2SO4 zawierającej kolektor według wynalazku. Na rysunku przedstawione są 3 cykle rozładowania rozdzielane cyklami ładowania. Fig.4 przedstawia zależność pojemności akumulatora zawierającego elektrodę ujemną z kolektorem według wynalazku oraz elektrodę dodatnią z kolektorem klasycznym wykonanym z kratki ze stopu ołowiu. Prąd rozładowania 190mA. Prąd ładowania 190mA do granicy 2,4 V i kolejno 190mA przez 150min.

Wynalazek dotyczy  akumulatora ołowiowo-kwasowego posiadającego co najmniej jedno ogniwo wyposażone w środki powodujące przepływ prądu oraz elektrodę ujemną i dodatnią z których co najmniej jedna ma kolektor z przewodzącego porowatego węgla pokrytego w całości lub w części warstwą ołowiu, będący podłożem 1 masy czynnej elektrody, przy czym kolektor ten jest wyposażony w wyprowadzenie elektryczne, które stanowi co najmniej jeden lub więcej pasków 2 metalicznego ołowiu przewleczonych odpowiednio przez co najmniej jeden lub przez więcej otworów 3 znajdujących się przy krawędzi wzdłuż jednego z boków podłoża 1 z przewodzącego porowatego węgla i połączonych w jeden przewód wyprowadzający, a na i wokół złącza pasek/podłoże znajduje się warstwa spoiny 5 z żywicy epoksydowej. W korzystnym przykładzie wykonania akumulatora masa czynna elektrody ujemnej z ołowiu jest osadzona na kolektorze według wynalazku opisanym powyżej. Druga elektroda z PbO2 może mieć kolektor wykonany z kratki ołowianej. Do środków powodujących przepływ prądu należą znane środki, które (oprócz kolektorów i elektrycznych kontaktów) obejmują elektrolit i przegrody stosowane w standardowych akumulatorach kwasowych. Elektrolitem może być kwas siarkowy lub przewodzące żele.

WNIOSKI

Do celów diagnostyki akumulatorów definiuje się szereg obliczeniowych parametrów, z których najważniejsze to:  stan naładowania (ang. state-of-charge SOC) – określa procentową ilość energii zgromadzonej w akumulatorze w stosunku do rzeczywistej pojemności całkowitej lub do pojemności nominalnej;  stan zużycia (ang. state-of-health SOH) – określa stopień wyeksploatowania akumulatora, wiąże się z tym spadek faktycznej pojemności danego akumulatora, w stosunku do nowego akumulatora (pojemności nominalnej). W praktyce SOC można określać między innymi  poprzez  pomiar rezystancji wewnętrznej (stałoprądowy), tzn.: prostą metodą polegającą na pomiarze spadku napięcia akumulatora obciążonego określonym prądem względem akumulatora nie obciążonego. Natomiast do określenia stanu zużycia  akumulatora SOH niezbędny jest pomiar co najmniej trzech parametrów:  napięcia akumulatora,  prądu pobieranego/wydawanego przez akumulator,  temperatury akumulatora.

Podstawowym parametrem określającym stan naładowania jest  napięcia akumulatora na podstawie  którego szacuje się stopień naładowania akumulatora. Pomiar taki daje jednak wiarygodne wyniki jeśli wykonany jest na nieobciążonym akumulatorze, po określonym czasie od zakończenia ładowania. Jednakże nie można na tej podstawie określić faktycznej pojemności. Pomiar napięcia na akumulatorze podłączonym do instalacji pozwala również  nadzorować napięcie ładowania, które powinno mieścić się w ściśle określonym zakresie. Zarówno za niskie jak i za wysokie napięcie ładowania może doprowadzić do uszkodzenia lub znaczącej utraty pojemności, a co za tym idzie, skrócenie żywotności akumulatora.

W praktyce w  samochodach o napędzie hybrydowym oraz w najbardziej technicznie zaawansowa­nych pojazdach z silnikiem spalinowym wprowadzono czujniki stanu naładowania akumulatora. Są one montowane na klemie ujemnej (-) akumulatora (zazwyczaj pełnią wtedy jednocześnie funkcję sterownika systemu zarządzania akumulatorem, czyli energią), Bardzo precyzyjnie mierzą wartość napięcia akumulatora, natężenie pobieranego prądu oraz temperaturę otoczenia. Na podstawie tych parametrów określany jest między in­nymi stopień naładowania akumulatora. Czasami pomiar napięcia akumulatora wykonuje się na zacisku dodatnim (+) akumulatora, a pomiar prądu i temperatury  w sterowniku systemu zarządzania akumulatorem (energią).

Sterownik systemu zarządzania energią za pośrednictwem magistrali CAN (Controller Area Network) lub LIN (Local Interconnect Network) otrzymuje dane z innych czujników (np. czujnika temperatury silnika, temperatury oto­czenia, prędkości obrotowej walu korbowego silnika oraz informacje o czasie postoju sa­mochodu. Na podstawie tych i innych danych system zarządzania akumulatorem (energią): – steruje momentem i wartością obciążenia alternatora (czasowe opóźnianie załączania alternatora do pracy, np. podczas rozruchu silnika, ograniczanie energii wytwarzanej przez alternator przez obniżenie jego napięcia czy ograniczanie pobieranej mocy lub wyłączanie niektórych odbiorników energii, np. ogrzewania szyby tylnej i przedniej oraz podgrzewania foteli podczas przyspieszania pojazdu, w celu zmniejszenia zu­życia paliwa); – ogranicza stopień rozładowania akumulatora, aby nie był  on niższy niż założona wartość graniczna (progowa), poniżej której rozruch silnika jest niemożliwy, w tym celu przy spadku stopnia naładowania akumulatora poniżej określonych progów system wyłącza niektóre odbiorniki energii (w pierwszej kolejności systemy informacji i rozrywki, w dal­szej — niektóre odbiorniki układu komfortu); – pełni funkcje diagnostyczne.

Przechodząc do aktualnych spraw eksploatacyjnych kupionego  nowego akumulatora Bannera Power Bull  mogę stwierdzić, że moje doświadczenia w zakresie rozwoju innowacyjności w przemyśle pozwalają na stwierdzenie, że do sukcesu w danej dziedzinie produkcji  urządzeń niezbędne jest spełnienie trzech podstawowych warunków:

–  zdobycie patentów na produkowane, urządzenia;

– opracowanie technologii produkcji pod katem optymalizacji kosztów oraz zapewnienia automatyzacji procesu produkcyjnego,  w celu zapewnienia powtarzalności parametrów urządzeń;

– optymalizacja technologii produkcji w celu zwiększenia niezawodności urządzeń oraz przystosowania ich do procesu naprawy i modernizacji.

W tym konkretnym przypadku pierwszy warunek jest spełnione ale producent Centra-Futura nie zapewnia powtarzalności deklarowanych parametrów  akumulatora w seryjnej produkcji. Przyczyny mogą być różne więc trudno wyrokować na ten temat, ale stwierdzenie sprzedawcy, Pana Włodka, że akumulatory tej marki sprawowały się dobrze gdy produkowane były w Poznaniu, a  nie  w  Hiszpanii,  daje dużo do myślenia.

Osobiście również  znam twórcę, który swoje dokonania techniczne kończył na etapie prototypu lub aplikacji patentowej. Kolejne etapy wdrażania pomysłu do realizacji  pozostawały na papierze, co mogłoby świadczyć  o braku wiedzy na temat zasad procesów produkcyjnych obowiązujących we współczesnej technice. Niestety takie fantazyjne podejście  do praktyki produkcyjnej   zakończone zostało likwidacją komórki naukowo badawczej,  na skutek braku wyobraźni  oraz instynktu samozachowawczego,  który sprowadziłby niedouczonego twórcę na ziemie w kwestii zasad obowiązujących w współczesnym świecie techniki.

Praktyczny test akumulatora podczas pracy pod obciażeniem – sprawdzenie stanu napiecia akumulatora ilustruje film:  https://www.youtube.com/watch?v=3iERvCXCEKI

 

Na zakończenie polecam również  materiał filmowy – jak zmierzyć pobór prądu akumulatora na postoju bez rozłączania akumulatora, który nie powinien przekraczać 50mA.?    https://www.youtube.com/watch?v=YaTKOQSGs2Y

 

 

 

 

Central Processing Unit in a Single Chip

    Moja historia z mikroprocesorami zaczęła się banalnie w barze uczelnianym podczas posiłku na który składał się makaron z sadzonymi jakami, dania mięsne w 1972 roku były rzadkością. Do stolika przysiadł się kolega, który skończył swój makaron i zakomunikował, że Amerykanie wyprodukowali pierwszy mikroprocesor. Zajęty swoim obiadem znacząco pokiwałem głową  aby  pokazać, że wiem o co chodzi, ale  brak komentarz dobitnie świadczył, że nie jestem w kursie dzieła.   Minęło kilka lat pracy zawodowej w której obsługiwałem sprzęt lampowy więc na mikroprocesory nie było czasu.  Pierwsza informacja o procesorach cyfrowych związana była z cyfrowymi maszynami typu ODRA, które stanowiły chlubę polskiego przemysłu elektronicznego. Dopiero wtedy dotarło do mnie, że mikroprocesor to nic innego jak procesor maszyny cyfrowej, wykonanej z cyfrowych układów  dyskretnych TTL, ale zawarty wewnątrz pojedynczego układu scalonego.

Według definicji Mikroprocesor https://pl.wikipedia.org/wiki/Mikroprocesor to układ cyfrowy wykonany jako pojedynczy układ scalony o wielkim stopniu integracji (ULSI) zdolny do wykonywania operacji cyfrowych według dostarczonego ciągu instrukcji. Mikroprocesor realizuje  funkcje dotychczasowego  procesora  (centralnej jednostki obliczeniowej CPU- central  processing unit ), który pobiera dane z pamięci operacyjnej, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Procesory jako sekwencyjne urządzenie cyfrowe wykonane w technice cyfrowej TTL, wchodzące w skład maszyn cyfrowych ODRA, realizowały  ciągi prostych operacji matematyczno-logicznych ze zbioru operacji podstawowych, określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.  Przykładowe parametry  jednostki procesora Odra1305 produkowanej w zakładach ELWRO we Wrocławiu w latach 70-tych przedstawia ulotka informacyjna Jednostka-centralna-Odra1305.

     W ramach wstępu do techniki komputerowej należy przedstawić uproszczony schemat procesora (CPU), który pozwoli na dalszą analizę opisów patentowych z tej dziedziny. Podstawowym elementem każdego procesora CPU jest układ sterowania CU ( Control Unit), który jest odpowiedzialny za sterowanie poszczególnymi elementami CPU oraz jednostka arytmetyczno-logiczna – ALU (Arytmetical Logic Unit), która jest odpowiedzialna za wykonywanie przez CPU operacji arytmetycznych  i  logicznych na liczbach naturalnych lub zmienno przecinkowych.  Podstawowe elementy CPU to rejestry do których należą:
– Rejestr rozkazów IR (Instruction Register) –  który przechowuje obecnie przetwarzaną instrukcję;
– Licznik rozkazów PC (Program Counter) – zawiera adres rozkazu, który ma być wykonany w następnym kroku programu;
– Akumulator A – przechowuje wynik wykonywanej operacji;
– Wskaźnik stosu SP (Stack Pointer) –  służy do adresowania pamięci;
– Rejestr flagowy F – przechowuje informacje dotyczące realizacji wykonywanej operacji;

Schematblokowy mikroprocesora

     Pamięć programu to element systemu komputerowego, w którym przechowywane są rozkazy wykonywane przez procesor  i dane stałe. Najczęściej są to pamięci typu RAM lub  nieulotne typu ROM.  Pamięć danych to element systemu komputerowego, w którym przechowywane są dane i wyniki w trakcie działania procesora. Najczęściej są to pamięci RAM lub DRAM . Do adresowania kolejnych komórek pamięci służy magistrala adresowa mikroprocesora, do przesyłania danych, magistrala danych, do zapisu i odczytu pamięci- magistrala sterująca. Procesor CPU bezpośrednio współpracuje z pamięcią operacyjną. Ponieważ każda komórka pamięci ma swój adres, wymiana danych odbywa się  za  pomocą magistrali danych,  a  adresowanie przy użyciu magistrali adresowej. Uproszczony algorytm działania procesora polega na sekwencyjnym wykonywaniu kolejnych rozkazów zapisanych w pamięci programu.

Cyklepracymikroprocesora

    Historia powstania pierwszego mikroprocesora Intel 4004 rozpoczyna się w  roku 1969, kiedy  japoński producent kalkulatorów, Nippon Calculating Machine Corporation (później Busicom), zwrócił się do Intela z ofertą opracowania zestawu 12 (wg innego źródła 8) układów scalonych, które miałyby stanowić serce najnowszego programowalnego kalkulatora biurkowego Busicom 141 PFB.  Istniejąca od roku firma Intel założona przez byłych pracowników  Fairchild Semiconductors specjalizowała się w pamięciach półprzewodnikowych. Intel pracował gorączkowo nad pamięciami dynamicznymi RAM (DRAM).  Prace zakończyły się sukcesem w roku 1970 – powstał układ 1103, 1 kbit DRAM (128 bajtów), pierwsza pamięć półprzewodnikowa o wysokiej gęstości zapisu (w roku 1972  była to najlepiej się sprzedająca pamięć półprzewodnikowa na rynku). W 1971 roku Intel skonstruował pierwszą pamięć typu EPROM oznaczoną symbolem 1702. W trosce o nowe zamówienia Intel podpisał umową z Busicom w lutym 1970 roku wyznaczając  na odpowiedzialnego  za realizacje projektu Ted Hoff, który  po analizie projektu z zmienił w sierpniu  koncepcję konstrukcji układu, tzn.: zrezygnował z modelu operującego na liczbach dziesiętnych (dostosowanego do urządzeń typu kalkulator) na rzecz arytmetyki binarnej. Hoff uważał, że wykonanie układów wg. planów Japończyków będzie zbyt kosztowne i skomplikowane (niektóre z planowanych układów miały mieć nawet ponad 5 000 tranzystorów).  Wg nowej koncepcji programowalna, uniwersalna jednostka przetwarzająca (CPU) powinna pracować posługując się zestawem kilkudziesięciu 4-bitowych instrukcji i być wspomagana przez co najwyżej 3 inne układy. Koncepcja ta wywodziła się z komputerów klasy mainframe i minikomputerów i musiała zostać okrojona tak, aby zmieścić się w szesnastonóżkowym chipie. Był to największy wówczas możliwy do wykonania typ układu. Szyna adresowa i szyna danych miały posiadać szerokość 4-bitów.

Oprócz Hoff’a nad projektem pracowali także Stan Mazor odpowiedzialny za sprawy oprogramowania oraz Federico Faggin (od kwietnia 1970 w Intelu, poprzednio w Fairchild Semiconductor).  Opracowanie całego zestawu zajęło ok. 18 miesięcy. Zestaw nazwano „rodzina 4000”, a następnie MCS-4, czyli Microcomputer Set 4-bit. Składał się on z czterech 16-nóżkowych układów (16-pin DIP):

  • 4001 był to 2 kbit (czyli 256 bajtów) ROM z 4-bitowym portem wejścia/wyjścia (4-bit mask-programmable I/O port),
  • 4002 to 320 bit RAM z 4-bitowym portem we/wy,
  • 4003 to 10-bitowy rejestr przesuwny – układ rozszerzający możliwości wejścia/wyjścia (10-bit serial-in, parallel-out shift register),
  • W lutym 1971 pierwszy zestaw był gotowy do zbudowania prototypu kalkulatora. W skład każdego kalkulatora wchodziły cztery 4001 (czyli łącznie 1KB), dwa 4002, dwa 4003 i jeden 4004. W połowie marca 1971 Busicom otrzymał pierwszą partię chipów. 15 listopada 1971 zestaw 4000 pod nazwą MCS-4 (Microcomputer System 4-bit), został oficjalnie wprowadzony i przedstawiony w prasie fachowej jako „a new era of integrated electronics” oraz „computer on a chip„. Cena wynosiła początkowo $200 za sztukę. W roku 1974 procesor 4004 został opatentowany (U.S. Patent No. 3,821,715) jako: Memory System for a Multi-Chip Digital Computer. Specyfikacja aplikacyjna zestawu Intel MSC-4 MCS4_Data_Sheet_Nov71-2MCS4_ datowana na listopad 1971 przestawia opis poszczególnych układów z ilustracja ich części składowych oraz zespolonego schemat połączeń w układzie pierwszego mikroprocesora wyposażonego w opracowane układy pamięci RAM, ROM  i dodatkowy 10-bitowy rejestr przesuwny. Niewątpliwy sukces konstrukcyjno-technologiczny znalazł swoje odbicie w szeregu patentów z tego zakresu ale ze względów praktycznych omówieniu zostanie tylko jeden patent, którego autorami są w/w twórcy.

        Patent  US3821715  Memory System for Multi-chip Digital Computer, Intel Corporation, Hoff  Jr. et al., Data patent: 28.06.1974. przedstawia układ komputera cyfrowego ogólnego zastosowania,  który zawiera jednostkę centralną (CPU), pamięć RAM (Random-Access-Memories), pamięć  ROM (Read Only Memory) wykonane w technologii półprzewodnikowej  MOS (Metal Oxide-Semiconductor).  Pamięć z dostępem swobodnym RAM  i pamięć tylko do odczytu  ROM używana jako część komputera sprzężone  są ze zwykłymi dwukierunkowymi magistralami danych z jednostką centralną (CPU),  przy czym  każda pamięć zawieraj  obwód dekodujący w celu określenia adresu komórek pamięci odczytywanych lub zapisywanych przez procesor CPU, który wykonuje cyklicznie realizowany program  cyfrowy. Układ  procesora  oraz  pamięci  zamontowane są w 16-nóżkowych obudowach scalonych DIP,  co zapewnia możliwość rozszerzenia ilości zastosowanych układów pamięci w omawianym układzie mikrokomputera.

    Fig.1Przechodząc do rysunków  zawartych w patencie: Fig.1 jest ogólnym schematem blokowym ujawnionego komputera, który przedstawia centralną jednostkę przetwarzania (CPU), pojedynczą pamięć RAM i pojedynczą pamięć ROM; Fig.2 jest wykresem przedstawiającym pojedynczy cykl instrukcji komputera który jest używany głównie do opisania sposobu, w jaki procesor CPU komunikuje się z wybrana pamięcią ROM lub RAM w trakcie pojedynczego cyklu realizowanej instrukcji maszynowej; Fig.3 przedstawia schemat blokowy ilustrujący połączenia między centralną jednostką przetwarzającą (CPU) i wieloma układami pamięci, w tym ROM i RAM; Fig.4 – to szczegółowy schemat blokowy ilustrujący pojedynczy  układ pamięci ROM,  zilustrowany na Fig.3; Fig.5 – to szczegółowy schemat blokowy pojedynczej pamięci RAM, zilustrowanej na Fig.3.  Zgodnie  z schematem blokowym przedstawionym na rysunku  Fig.1,  komputer według wynalazku zawiera  centralny procesor 10, pamięć o dostępie losowym (RAM), 35 i pamięć tylko do odczytu (ROM),30.  Cztery dwukierunkowe linie magistrali danych 20, 21, 22 i 23 są wykorzystywane do przekazywania informacji z procesora 10 do pamięci oraz do przekazywania informacji z pamięci do procesora. Informacje mogą być odczytywane z komputera na liniach 56a, 56b, 56c i 56d, oraz  mogą być odczytywane do lub z komputera na liniach wejściowych/wyjściowych 57a, 57b, 57c i 57d.  Procesor 10, ROM 30 i RAM 35, posiadają postać oddzielnych układów scalonych  typu MOS, które są  wzajemnie połączone przez różne przedstawione linie, w tym wspólne szyny danych magistrali 20, 21, 22 i 23 oraz szynę sygnałów sterujących, 63, 64, 65, 33 i 51, wykonane w technice obwodów drukowanych. Zewnętrzne sygnały taktowania Φ1, Φ2 procesora 10 występują na ścieżkach  62,63  obwodu  drukowanego,  a  sygnały synchronizacji  i  resetu  na  liniach  64,65.

    Sygnał synchronizacji 68,  zilustrowany na Fig.2,  generowany jest co 8 okresów sygnałów taktowania Φ1, Φ2.  Procesor  10 generuje również sygnał sterujący ROM, wysyłany  ścieżką 33 i sygnał sterujący RAM, wysyłany ścieżką  51. W przykładzie wykonania procesor 10, który jest wytwarzany na pojedynczym układzie MOS, zawiera jednostkę sterującą 12, czterobitową jednostkę arytmetyczną 13, rejestr indeksowy 14 i rejestr adresowy 15. Czterobitowa jednostka arytmetyczna, rejestr indeksów i stos adresów wszystkie komunikują się ze jednostka sterująca 12, jak to zwykle ma miejsce w znanych procesorach. Rejestr adresowy 15 obejmuje licznik programu, stos adresów i  obwód logiczny  przyrostu adresu. Rejestr adresowy jest dynamiczną macierzą komórek pamięci RAM złożoną z 4 wierszy 12 bitowych. Jeden poziom tego rejestru jest wykorzystywany do przechowywania efektywnego adresu, a pozostałe trzy poziomy są używane jako stos dla wywołań podprogramów.  Rejestr indeksowy 14 zawiera dynamiczny układ komórek pamięci RAM  złożony z 16 wierszy 4 bitowych  i ma dwa tryby działania. W jednym trybie działania rejestr indeksowy 14 zapewnia 16 bezpośrednio adresowalnych lokalizacji pamięci  dla pośredniego obliczania i sterowania. W drugim trybie rejestr indeksów udostępnia osiem par adresowalnych lokalizacji pamięci do adresowania pamięci RAM i ROM,  a  także do przechowywania danych pobranych z pamięci ROM. Czterobitowa jednostka arytmetyczna 13 w  preferowanym przykładzie wykonania jest czterobitowym sumatorem z przeniesieniem szeregowym. Jednostka sterująca 12 procesora 10 zawiera obwody do wykonywania normalnych funkcji sterujących związanych z centralną jednostką przetwarzającą, a także zawiera bufory wejściowe i wyjściowe, które umożliwiają komunikację z liniami 20, 21, 22 i 23, oraz  obwód do generowania sygnału synchronizacji zilustrowany na Fig. 2, jako sygnał 68.  Procesor 10, który również generuje sygnał sterujący ROM i sygnał sterujący RAM, zawiera resetowany przerzutnik flip-flop. Należy zauważyć, że podczas resetowania wszystkie pamięci RAM oraz przerzutniki flip-flop znajdujące się w całym komputerze są kasowane sygnałem resetowania na odprowadzeniu 65. Jednym z unikalnych aspektów procesora 10 wykorzystywanego w  przykładzie wykonania jest to, że procesor generuje zakodowane sygnały, które są przesyłane do wszystkich pamięci RAM i ROM na  wspólnej magistrali  danych 20, 21, 22 i 23.

    Repertuar instrukcji procesora obejmuje 16 instrukcji języka maszynowego, z których 5 ma podwójną długość, 14 zgromadzonych instrukcji grupowych, 15 instrukcji wejścia/wyjścia i obsługi pamięci RAM. Nawiązując ponownie do Fig.1, ROM-y w według przykładu wykonania obejmują macierz pamięci 72, jednostkę sterującą 71 oraz porty wejścia/wyjścia 70, które zawierają bufory wymagane dla tych portów. Porty 70,  obwód sterowania 71  i  układ ROM 72 są zawarte w pojedynczym układzie scalonym. Pamięć RAM 35 zawiera macierz RAM 87, jednostkę sterującą RAM 88  i port wyjściowy 89, który zawiera niezbędne bufory. Budowa i działanie zarówno pamięci ROM, jak i pamięci RAM może być zilustrowana  bardziej szczegółowo w połączeniu  z  Fig.4 i 5, odpowiednio.

    ROM z Fig.4 mogą być zbudowane z wykorzystaniem konwencjonalnego układów ROM z dodatkiem zespołu obwodów elektrycznych do rozpoznawania z góry określonego kodu. Sterowanie i taktowanie pamięci ROM nie zostało zilustrowane w celu uproszczenia schematu blokowego, ale tak jak w przypadku innych ROM-ów, odpowiedni czas taktowania ROM jest generowany  przez sygnały czasowe,  Φ1, Φ2, (doprowadzenia 62 i 63), oraz z sygnał synchronizacji  (na doprowadzeniu 64).  Dodatkowo, sygnał resetowania  (wyprowadzenie 65), potencjał ujemny VDD (przewód 60)  i przewód uziemiający (przewód 61) również są podłączone do pamięci ROM. Sygnał  taktowania pamięci ROM jest generowany przez obwód  75, chociaż wymagane są również  inne sygnały sterujące połączone z innymi elementami w  pamięci ROM. Dwukierunkowa magistrala magistrali danych 20 do 23 jest sprzężona z buforami wejściowymi 73 i 94. Wyjście bufora wejściowego 73 jest dołączone do  dekodera 74  i  do dekodera 76. Nawiązując  do Fig.2,  w  czasie A1 i A2,  osiem bitów (wysłanych w dwóch grupach po cztery bity) wymaganych do uzyskania dostępu do lokalizacji w pamięci ROM, jest wysyłanych do wszystkich ROM połączonych z dwukierunkowymi  liniami szyny danych  20  do 23. Te osiem bitów,  po częściowym dekodowaniu przez dekoder 74, jest następnie multipleksowanych w celu utworzenia pojedynczego ośmiobitowego słowa w multiplekserze 90  przed przesłaniem do rejestru adresowego 86. Osiem bitów jest wykorzystywanych przez X dekodery 84 i 85 oraz przez dekodery Y 79 i 81 dla uzyskania dostępu do określonej lokalizacji w ramach macierzy pamięci 16×64  ROM 78 i 82. Dane przechowywane w wybranej części macierzy ROM są odczytywane z multipleksera 80 do multipleksera 91. Podobnie jak w większości ROM-ów  MOS, informacja jest odczytywana z linii kolumn  po wstępnym ich  załadowaniu, funkcja ta jest zilustrowana jako elementy wstępnego ładowania i odczytu danych 77 i 83. Multiplekser 80, po otrzymaniu zapamiętanego ośmiobitowego słowa z tablicy, komunikuje dwa czterobitowe słowa z multiplekserem 91, co oznacza, że  podczas cyklu  A1 i A2, Fig.2  wszystkie ROM-y na liniach od 20 do 23 odczytują zapisane dane do multipleksera 90. Po tym, jak CPU przekaże adres wszystkim ROM w czasie A1 i A2, CPU w cyklu  A3 dokonuje wyboru chipa, który jest czterobitowym zakodowanym sygnałem, który służy do aktywowania tylko jednego z ROM-ów znajdującego się wzdłuż wspólnych linii magistrali danych od 20 do 23. Podczas cyklu  A3  4-bitowy kod wyboru chipa jest przesyłany do dekodera 76, Fig.4.  Dekoder 76 w każdym z ROM-ów jest inny i jest wytwarzany tak, aby identyfikować tylko jeden kod. Jeżeli ten kod sygnałowy zostanie zidentyfikowany przez dekoder 76, który  następnie przekaże sygnał do flip-flop 92 danych i do flip-flop 93 danych  wejścia/wyjścia. Dowolny stan logiczny może być wykorzystywany w dekoderze 76 jako środek do identyfikowania z góry określonego czterobitowego sygnału. W obecnym przykładzie wykonania w dekoderze 76 wykorzystywanych jest wiele bramek AND. Jeżeli dekoder 76 wykrył kod wskazujący, że jego mikroukład został wybrany przez procesor 10  i  jeśli dodatkowo pojawi się sygnał na odprowadzeniu 33, również zapewnionym przez procesor 10, zostanie ustawione flip-flop  danych 92. Gdy przerzutnik danych 92 jest ustawiony na tryb blokady, to znaczy, że 96 nie wysyła sygnału do bufora wyjściowego 94, to informacja odczytana z macierzy ROM może przepływać z multipleksera 91 na linie magistrali danych 20 do 23. Należy zauważyć, że jeżeli chip nie został wybrany,  a flip-flop 92 danych nie został ustawiony, to blokada logiki uniemożliwiłaby przepływ informacji z niezaznaczonych ROM.  Znaczące jest to, że adres używany do lokalizowania określonego słowa w pamięci ROM jest przekazywany do pamięci ROM przed momentem, w którym kod wyboru chipa jest przesyłany do pamięci ROM. Odbywa się to w ten sposób, że wszystkie ROM będą dekodować adres, podczas gdy dekoder 76 każdej pamięci ROM określa,  który układ został wybrany, czyli, która pamięć ROM będzie mogła odczytać dwa czterobitowe słowa na liniach magistrali danych 20 przez 23 w cyklach M1 i M2. Ta technika uzyskiwania dostępu do wszystkich ROM jednocześnie przed wyborem pojedynczej pamięci ROM oszczędza czas, ponieważ dłuższy czas jest wymagany do odczytu danych z macierzy ROM, niż do odkodowania 4-bitowego sygnału wyboru układu. ROM zilustrowany na Fig.4  umożliwia również procesorowi 10 komunikację z zewnętrznym zespołem obwodów pokazanym jako linie wejściowe/wyjściowe  od  57a  do  57d.  Te linie sprzężone z portem wejściowym 70a  i  portem wyjściowym 70b, umożliwiają selektywnie łączone ze zwykłymi liniami magistrali danych 20 do 23 za pośrednictwem multipleksera 91 i buforami wyjściowymi 94 po odebraniu odpowiednich sygnałów elementów sterujących wejścia/wyjścia 95. Logika sterująca wejściem/wyjściem jest aktywowana przez przerzutnik wejścia/wyjścia 93. Ten flip-flop  jest ustawiony, jeżeli dekoder 76 wykrywa określony kod chipu w cyklu  X2  i  jeśli sygnał jest obecny na odprowadzeniu 33 w X2. Gdy te warunki są spełnione, linie wejściowe/wyjściowe od 57a do 57d  są następnie sprzężone z centralną jednostką przetwarzającą lub procesorem 10.

    Układy  ROM 30, 31 i 32, Fig.3  są  połączone ze zwykłymi liniami magistrali danych 20, 21, 22 i 23. W  przykładzie wykonania można wykorzystać aż 16 ROM-ów, ponieważ czterobitowy kod wyboru chipa jest w stanie aktywować dowolny z 16 ROM-ów.  Można zauważyć, że liczba ta może zostać zwiększona, jeśli użyte zostaną dodatkowe linie poleceń z procesora, takie jak przewód sterowania ROM 33. Ponadto każda z ROM może zawierać linie wejściowe/wyjściowe, umożliwiając liczne zewnętrzne połączenia z komputerem.  Każdy z ROM-ów jest oczywiście sprzężony z linią 33 i liniami 60, 61, 62, 63, 64 i  65.  Z kolei pamięć RAM  Fig.5 wykorzystywana w komputerze, taka jak pamięć RAM 35, 36, 37 i 38, pokazana na Fig.3, wykonują dwie funkcje. Najpierw przechowują 320 bitów rozmieszczonych w czterech rejestrach po dwadzieścia cztery bity znaków (16 głównych znaków pamięci i cztery znaki statusu), a ponadto zapewniają połączenie  do komunikacji z urządzeniami peryferyjnymi przez wyjścia  99a, 99b, 99c i 99d.  Pamięć RAM może być wykonana z dobrze znanych układów znanych ze stanu techniki wykorzystywanych w takich pamięciach. W  przykładzie wykonania wspólne magistrale magistrali danych 20 do 23 są połączone z buforami wejścia/wyjścia magistrali danych 98. Sygnał wyjściowy z tych buforów jest sprzężony z wyjściowymi przerzutnikami 99,  multiplekserem wejścia/wyjścia 50 macierzy pamięci, z rejestrem adresu X 43 i rejestrem Y 97. Pamięć  zastosowana   jest pamięcią dynamiczną, a zatem wymaga odświeżania, więc   licznik odświeżania 44 określa czas, w którym operacja odświeżania ma nastąpić, co zapewnia, że  we właściwym czasie za pomocą odświeżających wzmacniaczy 49, wszystkie dane przechowywane w pamięci głównej i pamięci statusu są odświeżane. Rejestr adresów X 43 jest połączony z dekoderem 46 stanu statusu i głównym dekoderem pamięci 47 za pośrednictwem multipleksera 45 adresu.  Dekodery te są łączone za pomocą sterowników pamięci z pamięcią główną i komórkami pamięci znaków. Główna pamięć 48 jest sprzężona z multiplekserem wejścia/wyjścia 50, umożliwiając odczyt/zapis  informacji do/z pamięci za pośrednictwem multipleksera 50. Cykle  pamięci są wyznaczane przez  sygnały Φ1, Φ2, z  doprowadzeń 62 i 63,  oraz sygnał synchronizacyjny generowany przez procesor 10 i przykładany do układu pomiaru czasu 53 przez przewód 64. Układ  zegarowy 53  jest  sprzężone z pamięcią RAM  i obwodem sterującym 58 oraz z obwodem  synchronizacji pamięci 54.  Główny obwód  taktowania pamięci 54 generują odpowiednie sygnały czasowe wymagane do obsługi,  tego typu pamięci. Pamięć RAM  i obwód 58  wysyła sygnały do buforów 98, aby umożliwić buforom odbieranie lub przesyłanie sygnałów, a także rejestrowi Y, 97  i  wyjściowym przerzutnikom 99.   Pamięć RAM  i obwód 58  są  również wykorzystywane do sterowania multiplekserem wejścia/wyjścia 50, rejestrami X i Y oraz dekoderem stanu, 46. Pamięć RAM otrzymuje sygnał resetu poprzez wejście 65, masę przez przewód 61 i zasilanie VDD przez przewód 60. Sygnał sterujący RAM jest sprzężony z każdą z pamięci RAM  za  pośrednictwem przewodu 51. Ten sygnał jest generowany przez procesor 10,  przy czym na doprowadzeniu 52,  podawany jest z góry ustalony potencjał masy lub zasilania VDD.

    Podobnie jak w przypadku ROM-u, wszystkie pamięci RAM, takie jak pamięci RAM 35, 36, 37 i 38, są połączone ze wspólnymi dwukierunkowymi magistralami danych 20, 21, 22 i 23. Zatem każda z pamięci RAM zawiera zespół dekodujący do określania, która pamięć RAM została wybrana przez procesor 10.  Pamięci RAM są wytwarzane z dwoma różnymi układami do wyboru lub dekodowania układów. Ten obwód jest zawarty w obwodzie sterowaniu 58  i  jest zilustrowany na Fig.3 jako  RAM typu 1  i  RAM typu 2. Każda z pamięci ma stały układ  logiczny, który rozpoznaje przykładowo jedynkę logiczną lub zero logiczne co zapewnia wykorzystanie dwóch pamięci RAM, jednej typu 1 i jednej typu 2 na wspólnych liniach danych od 20 do 23. Obwód wyboru lub dekodowania każdej z pamięci RAM jest również sprzężony z terminalem Po ( Hard wired chip selected input). Sygnał zastosowany do odprowadzenia Po, który jest albo uziemiony, albo podłączony do VDD jest wykorzystywany przez zespół obwodów elektrycznych  jako część kodu rozpoznawanego przez obwód.  Dlatego też, łącząc Po pamięci RAM typu 1 z uziemieniem i łącząc  Po  z  pamięci RAM typu 1 z VDD  i podobnie przez sprzężenie zacisków Po dwóch RAM 2 typu 2 z masą i VDD, jak pokazano na Fig.3, cztery pamięci RAM mogą być połączone ze zwykłymi liniami magistrali danych od 20 do 23,  a procesor 10 będzie mógł wybrać jedną z czterech pamięci RAM. Tak jak w przypadku ROM-ów, obwód wyboru lub dekodowania chipów może być wytwarzany z dobrze znanych elementów logicznych, takich jak bramki AND.        W obecnie preferowanym przykładzie wykonania, ponieważ tylko cztery pamięci RAM są połączone ze zwykłymi liniami magistrali danych, tylko dwa bity są wymagane w celu wybrania  jednej z czterech pamięci RAM. Te dwa bity są przesyłane do pamięci RAM w czasie X2. Pozostała część bitów transmitowanych podczas  cyklu X2  i cztery bity transmitowane podczas X3 są wykorzystywane w połączeniu z sygnałem rozkazu dostarczonym na odprowadzeniu 51 w celu dostarczenia informacji RAM, co do konkretnej lokalizacji w pamięć RAM,  która  być używana do późniejszej operacji odczytu, zapisu lub wejścia/wyjścia.   Pamięć RAM  z  Fig.5  jako pamięci dynamiczne  wymagają  odświeżania. To odświeżanie jest wykonywane podczas części cyklu instrukcji przedstawionego na Fig.2, w którym pamięć RAM nie przekazuje informacji do lub ze wspólnej linii magistrali lub linii od 99a do 99d.  Na przykład, odświeżanie może nastąpić w czasie A1, A2 lub A3 i ten czas może być łatwo określony przez  odcinki czasu, które są wykorzystywane do sterowania odświeżaniem licznika 44. Odświeżając pamięć RAM w czasie, gdy pamięci RAM nie komunikują się aktywnie z procesorem 10 lub obwodami zewnętrznymi powoduje że,  proces odświeżania nie zakłóca pozostałej części systemu.

    WNIOSKI

    Opracowany układ Intela 4004, wykonany w technologii 10 µm PMOS, składał się z zaledwie 2250-2300 tranzystorów. Pracował z częstotliwością 108 kHz, potrafił wykonać ok. 60 000 instrukcji na sekundę (0.06 MIPS). Jego zestaw instrukcji składał się z 46 pozycji. Zasilany był napięciem stałym 15V i wymagał indywidualnego zewnętrznego sygnału zegara (peculiar clock source).  Pobierał moc 1 W.  Każdy chip 4004 o wymiarach płytki krzemowej 4×3 mm (czyli 12 mm2) posiadał moc obliczeniową podobną do zbudowanego w 1946 roku pierwszego elektronicznego komputera ENIAC, ważącego 30 ton, zajmującego tyle miejsca co dwa garaże samochodowe (60×25 stóp) i składającego się z 18 000 lamp elektronowych. Według Intela  sukces opracowania zestawu MCS-4, czyli Microcomputer Set 4-bit należy zawdzięczać postępowi w technologii produkcji układów scalonych  LSI ( large-scale integration).

    Po pierwsze zastosowanie techniki Bootstrap w obwodach bramek logicznych, która umożliwiła ich budowę z napięciem wyjściowym równym pełnemu napięciu zasilania w porównaniu do znanego obciążenia rezystancyjnego stopnia tranzystorowego, w którym napięcie wyjściowe osiąga około 60% napięcia zasilania. Faggin wynalazł sposób realizacji  Bootstrapu w cyfrowych układach scalonych poprzez opracowanie technologii dodatkowych kondensatorów ładujących wkomponowanych w istniejącą  strukturę bramki cyfrowej  wewnątrz chipu. Po drugie Faggin wynalazł uproszczony sposób połączeń miedzy bramkowych tzw. Buried Contact, który polegał na zastosowaniu polikrzemowych  połączeń  pomiędzy bramkami, które do tej pory wymagały połączeń metalowych znacząco ograniczających gęstość rozmieszczenia bramek wewnątrz układu scalonego.  Dzięki tej metodzie – wymagającej dodatkowej warstwy maskującej – możliwe było wykorzystanie polikrzemu jako dodatkowej warstwy wzajemnego połączenia, znacznie poprawiając gęstość obwodu, szczególnie w cyfrowych układach logicznych . Obie metody technologii wytwarzanie układów scalonych opisane są  szczegółowo w literaturze np. CMOS Digital Integrated Circuits – Analysis i Design, Sung-Mo Kang, (second-edition)  dostępnej  w przestrzeni internetowej.   Podsumowując, w opracowaniu i sukcesie 4004 uczestniczyli:

    Federic Faggin: opracował technologię wytwarzania w krzemie bramek logicznych (silicon gate MOS technology) i w dużej mierze kierował pracami zespołu 4004; jego dziełem był  maski (layout) wszystkich układów serii 4000 (jak również później 8008 i 8080); Faggin opóścił Intela pod koniec 1974 r., stał się współzałożycielem firmy Zilog  i   współtwórcą procesora Z80 (wraz z Masatoshi Shima).

    Masatoshi Shima: opracował szczegółową konstrukcję układów logicznych i ich wzajemne rozmieszczenie; w 1974 wraz z Faggin’em założył firmę Zilog i opracował doskonały procesor Z80.

    Stan Mazor: współtworzył wraz z Hoffem architekturę układu, odpowiadał za oprogramowanie, stworzył programy testujące poprawność funkcjonowania całego układu; koordynował współpracę wewnątrz zespołu oraz z innymi departamentami.

    Ted Hoff: zainicjował koncepcję pojedynczego CPU zamiast kilkunastu układów specjalizowanych, zaproponował stworzenie urządzenia programowalnego o szerokich możliwościach zastosowania w zależności od zadanego programu. Opracował podstawową architekturę układu (CPU, RAM, ROM i I/O) oraz układów logicznych.

    Bob Noyce, członek zarządu Intela, wynegocjował z Busicom’em umowę o zrzeczeniu się praw wyłączności do układu 4004 za kwotę $60 000. Intel uzyskał możliwość zastosowania układu do budowy różnych urządzeń. Otworzyło to drogę dla nowej gałęzi przemysłu i okazało się jednym z większych błędów gospodarczych Japończyków.

    Na zakończenie należy dodać, że o pierwszeństwo w wynalezieniu mikroprocesora  ubiegają się jeszcze dwie firmy oczywiście w USA:

    Garrett AiResearch’s (Central Air Data Computer), MP944;

    Texas Instruments (TMS 1000).

    Układy scalone serii  MP944  realizują specjalizowany procesor cyfrowy sterujący obsługa samolotu Grumman F-14 Tomcat, których struktura i działanie objęte jest tajemnicą pomimo upływu 48 lat.

    Z kolei  TI  zbudowało 4-bitowy mikroprocesor TMS 1000 oraz wyposażyło go w odpowiedni kod źródłowy. W ten sposób 17 września 1971 r. powstał układ TMS1802NC, który posłużył jako scalony rdzeń kalkulatora TI-35. Pod względem pełnionej funkcji był to zatem odpowiednik intelowskiego 4004.

    Historia systemu „MSC-4 Micro computer set” dostepna jest również w zasobach Youtube The MCS-4 Story  4004 to 4-bitowy CPU (4-bit parallel central processing unit). The MCS-4 Story  https://www.youtube.com/watch?v=gPKZSuXAVMU

     

Ignacy Mościcki – elektrochemik, który został prezydentem

      Inżynier chemik, profesor elektrochemii, wynalazca – właściciel 40 patentów, położył wielkie zasługi w dziedzinie elektrotechniki (technika wysokich napięć i ochrona przepięciowa), https://www.pw.edu.pl/Badania-i-nauka/Badania-Innowacje-Technologie-BIT-PW/Ignacy-Moscicki-chemik-ktory-zostal-prezydentem. Wykrył wyładowania powierzchniowe i opublikował prace z dziedziny wytrzymałości dielektryków na przebicie. Opracowywał technologie chemiczne (kwas azotowy, nawozy sztuczne i rafinacja ropy naftowej) oraz projektował fabryki chemiczne. Opracował metodę i technologię produkcji tlenków azotu w łuku elektrycznym (1901- 1904), rewelacyjną w skali światowej. Była ona podstawą produkcji nawozów azotowych. Opracował również wysokonapięciowe kondensatory produkowane we Fryburgu przez ok. 20 lat pod nazwą kondensatorów Mościckiego. Był profesorem elektrochemii na Uniwersytecie Lwowskim od 1912r., a od 1925 r. na Politechnice Warszawskiej. Doktor honoris causa Politechniki Warszawskiej (1924). W latach 1926-39 był Prezydentem Rzeczypospolitej Polskiej.   Przygoda Ignacego Mościckiego z prawdziwą  techniką rozpoczyna się na dobre  w  1903 roku, kiedy  powstaje we Fryburgu prototyp niewielkiej próbnej fabryki kwasu azotowego, w której zainstalowano nowe wieże absorpcyjne oraz kondensatory wysokich napięć, stanowiące przedmiot oddzielnych patentów Mościckiego. W tym samym roku jesienią Mościcki wybudował większą fabrykę kwasu azotowego w Vevey. Wydajność tej fabryki okazała się jednak niezadowalająca i należało podjąć wysiłki w celu doskonalenia metody. Rezultatem tych wysiłków był wynalazek pieca posiadającego układ wielu łuków elektrycznych. Próba techniczna tego pieca odbyła się we Fryburgu w 1905 r. Urządzenie wraz z kolejnymi ulepszeniami było chronione patentami austriackimi. Piec ten zapewniał pracę ciągłą i prawie całkowicie zautomatyzowaną. Miał kształt izolowanej kolumny, przez którą od dołu ku górze przepływało ogrzane powietrze, ulegające w płomieniu łuków elektrycznych reakcji chemicznej, prowadzącej do syntezy tlenku azotu. Tlenek azotu był u góry pieca odprowadzany do układu wież absorpcyjnych, gdzie łącząc się z wodą tworzył kwas azotowy. Mościcki wciąż pracował nad ulepszaniem fabryki, ponieważ zużycie energii w stosunku do uzyskiwanych ilości kwasu azotowego wydawało mu się zbyt wielkie. Wpadł na pomysł poprawienia efektywności łuku elektrycznego poprzez umieszczenie płomienia palnika gazowego w przestrzeni między elektrodami. Wywołane płomieniem zjawisko jonizacji wzmocniło efekt wyładowania elektrycznego. Pomysł ten uzyskał patent szwajcarski. Następnym wynalazkiem Mościckiego był wirujący łuk elektryczny. Istotą tego wynalazku było potraktowanie łuku jako przewodnika, przez który płynie prąd zmienny i umieszczenie go w polu magnetycznym o liniach sił przebiegających prostopadle do kierunku łuku. Elektrody zasilane były prądem zmiennym o napięciu rzędu 4,5 kV i częstotliwości około 60 Hz. W tych warunkach łuk wprawiony został w ruch obrotowy, dając efekt wirującego płomienia. Zapewniało to wysoką i równomierną temperaturę we wnętrzu pieca.

Ignacy Mościcki patentuje w 1906 roku  konstrukcje aparatury do syntezy  tlenków azotu za pomocą wirującego łuku elektrycznego.  CH35840A Apparat zur Erzeugung von Stickstoffoxyden auf elektrischem Wege, Data patent 26.01.1906r.

1

Przedmiotem patentu jest oryginalną koncepcją  pieca elektrycznego, z wirującym – pod wpływem pola magnetycznego – płomieniem łuku; piecem zasilanym prądem zmiennym normalnej częstotliwości, którego konstrukcja znacząco poprawiała warunki przebiegu reakcji utleniania azotu. Główną część pieca Mościckiego stanowiły dwie koncentryczne elektrody miedziane, chłodzone wodą. Zewnętrzna – w formie cylindra o dnie płaskim, w którym znajdował się otwór okrągły. Druga elektroda, środkowa – w kształcie stożka ściętego była umieszczona w otworze dna elektrody zewnętrznej, tak aby się tworzyła szczelina 1-2 mm, której rozmiar mógł być regulowany w sposób ciągły. Naprzeciw środkowej elektrody była zamontowana płyta, gwałtownie chłodząca gazy poreakcyjne. Piec ten odznaczał się stabilnością pracy bez przerw wywołanych gaśnięciem łuku, możliwością regulowania obciążenia, bez nadmiernych strat prądowych oraz skutecznością gwałtownego schładzania gazów poreakcyjnych, bez obniżania temperatury samego płomienia. Pomysły  pieca z wirującym płomieniem został zgłoszony jako patent, który został pozytywnie zaopiniowany przez Alberta  Einsteina, który pracował w szwajcarskim Urzędzie Patentowym jako radca patentowy. Patent szwajcarski CH35840  ma swój odpowiednik kanadyjski CA117241, który różni się przyjęciem numeracji cyfrowej do opisu elementów pieca w stosunku do pierwowzoru.2

3

Zawartość opisów patentowych  jest bardzo oszczędna i opisuje tylko konstrukcje pieca elektrycznego do syntezy tlenku azotu ze  strumienia  powietrza przepływającego pomiędzy elektrodami pieca w obecności wirującego łuku elektrycznego, wytworzonego z płomienia gazowego. Opatentowana konstrukcja pieca charakteryzuje się tym, że  pomiędzy dwoma wydrążonymi elementami biegunowymi 1 i 2,  zamkniętego obwodu magnetycznego elektromagnesu z cewką  zasilaną zmiennym prądem umieszczone są dwie elektrody 5 i 6,  które są rozmieszczone współosiowo względem siebie, pozostawiając  pierścieniowej przestrzeni między nimi,  przy czym dolna z nich znajduje się w pojemniku  4  z  cieczą  chłodzącą. Elektroda 6 tworzy część wydrążonego korpusu, która jest włożona w podporę dla elektrody 5 i jest izolowana od podpory za pomocą obudowy wykonanej z nieprzewodzącego materiału.   Przestrzeń wewnątrz elektrody 5 jest zamknięta od spodu płytą utworzoną z rurą wylotową 8. Przewody doprowadzające gaz 10 i 11 są, połączone  są  z  kanałami 12 i 13 w dwóch elektrodach  i podobnie działają jako przewodniki prądu. Rura zasilająca 14 dla mieszaniny gazów połączona jest  z pierścieniowym dystrybutorem  15, który komunikuje się z przestrzenią pomiędzy dwiema elektrodami przez otwory uformowane w jego dolnej części. Rurka zapalająca 16 umieszczona na wsporniku elektrody 5, zamykana za pomocą pokrywy, służy do  zapalania strumieni gazu wydobywających się z kanałów 12,13,podczas uruchamiania komory do pracy ciągłej. W górnej części zbiornika 4 zawieszony jest zbiornik 17 z otworem w dnie, który działa jako podpora dla cewki rurowej 18, przez którą krąży woda chłodząca. Pojemnik 4 jest wypełniony prawie do góry cieczą chłodzącą, na przykład olejem, który wchodzi do wnętrza elementu biegunowego 1 przez otwór ( nie pokazany na rysunku)  z  boku i wypełnia go, co zapewnia odpowiednie chłodzenie elementów komory. Istotą tego wynalazku było potraktowanie łuku jako przewodnika, przez który płynie prąd zmienny i umieszczenie go w polu magnetycznym o liniach sił przebiegających prostopadle do kierunku łuku. Elektrody zasilane były prądem zmiennym o napięciu rzędu 4,5 kV  i  częstotliwości około 60 Hz. W tych warunkach łuk wprawiony został w ruch obrotowy, dając efekt wirującego płomienia. Zapewniało to wysoką i równomierną temperaturę we wnętrzu pieca.

Realizacja początkowych pomysłów technicznego spalania azotu w łuku elektrycznym wymagała zastosowania kondensatorów, wytrzymujących pracę w obwodzie prądu zmiennego o dużych częstotliwościach i napięciu rzędu kilkudziesięciu tysięcy V.  Ponieważ używane wówczas kondensatory nie spełniały tych warunków, Mościcki przeprowadził gruntowne studia nad dielektrykami. Badał pod względem wytrzymałości na przebicie i na wyładowania powierzchniowe różne dielektryki, w tym przede wszystkim szkło i ebonit. Uznał, że najlepszym materiałem do konstrukcji kondensatorów wysokiego napięcia jest szkło. Opracował nowy typ szklanego kondensatora, który mógł z powodzeniem być stosowany w układach prądu zmiennego o napięciu roboczym rzędu 40 kV.  Produkcję tych kondensatorów podjęła założona we Fryburgu Fabryka Kondensatorów Jan Modzelewski i Ska. Ignacy Mościcki uzyskuje  patent kanadyjski CA86816A  ELECTRIC CONDENSER, Data patentu 26.04.1904, który pozwala rozpoczać produkcje wysokonapieciowych kondensatorów elektrycznych.

4

Zastosowanie kondensatorów w praktyce zależy od trzech czynników: wytrzymałości, pojemności i ceny; musi więc być: 1) wytrzymałość na przebicie dostatecznie wielka, aby można je było używać także do bardzo wysokich napięć; 2) pojemność jednostkowa znaczna, aby uniknąć potrzeby łączenia równoległego wielkiej liczby ogniw i aby moc pozorna, jaką mogą przepuścić kondensatory, była wielka, — i 3) cena przystępna. Wytrzymałość na przebicie zależy w pierwszym rzędzie od materiału dielektryku kondensatora, a także – jak to wy­kazał Mościcki — od miejsca styku obłożeń z dielektrykiem. Ze względu na to, że pojemność kondensatora jest odwrotnie proporcjonalna do grubości dielektryku,  musi być on możliwie cienki: materiał więc, z jakiego jest zrobiony, dostatecznie odporny na przyłożone napięcie. Z natury rzeczy wynika, że ten materiał musi być izolatorem i to jak najlepszym, aby straty, wskutek przepuszczenia prądu, były jak najmniejsze.  Dodatkowo, ponieważ kondensatorów technicznych używa się prawie wyłącznie przy prądach zmiennych,  gdzie wystawione są one na ładowanie i wyładowanie za każdym okresem zmiany polaryzacji, co oznacz,  że im większa jest częstość okresów prądu, tym  częściej muszą „pracować”, a więc przyjmować i wydawać pewną ilość energii, co połączone jest z ogrzewaniem kondensatora. Co się tyczy pojemności kondensatorów, to ta zależy, jak to wyżej wspomniano, od grubości dielektryku a także od jego powierzchni i materiału izolatora, czyli od tak zwanej stałej dielektrycznej. Ponieważ do wysokich napięć nadaje się szkło, z którego wytwarzano pierwsze kondensatory to Mościcki przeprowadził szereg eksperymentów badawczych z tego typu dielektrykiem. Pierwsze doświadczenie Mościckiego z kondensatorami płaskimi ze szkła wykazały dwie zasadnicze ich wady: 1) przebicie następowało prawie zawsze na brzegu obłożenia –  i 2) aby zwiększyć pojemność kondensatora, trzeba składać kilka a płyt razem, których brzegi należy potem zalać masą izolującą, celem   uniknięcia wyładowań krawędziowych. Skutkiem tego ochładzanie kondensatora  było bardzo trudne a  straty znaczne, co znacząco  zmniejszało wytrzymałość na przebicie. Stwierdzenie tych dwóch faktów doprowadziło do zasadniczej zmiany kształtu kondensatorów; zamiast płaskich, obrał Mościcki rurkowe, co pozwoliło z łatwością wykonać brzeg kondensatora grubszy w miejscu, gdzie kończyło się obłożenie, oraz osiągnąć jak najlepsze chłodzenie. To jest zasadniczą cechą wynalazku Mościckiego.

5

Według opisu patentowego rurowy dielektryk (a) jest znacznie grubszy u góry niż w środku. Dno jest zamknięte  oraz  spiczaste i jest znacznie grubsze od środka. Dielektryk składa się z materiału stałego, który pokryty jest z oby stron metalową powłoką, przy czym  zewnętrzna powłoka (b) nie pokrywa szyjki  rurki dielektryka, podczas gdy wewnętrzna powłoka (c) całkowicie pokrywa wewnętrzną powierzchnię. W postaci przedstawionego wynalazku zgrubienia są wykonane z tego samego materiału co rura. Zgrubienia mogą jednak składać się z tego  innego materiału w postaci warstw.  Eksperymenty wykazały jednak, że materiał ten musi mieć równą, wyższą lub nieco niższą stałą dielektryczną, jeśli ma działać podobnie. O ile dielektryk składa się ze szkła, powłoki mogą być odpowiednio utworzone przez warstwy  srebra przylegające do szkła, które to warstwy mogą być bardzo cienkie przez powlekanie srebra dielektrykiem. Przechodząc to konstrukcji rzeczywistych kondensatorów należy odnotować, że  właściwy kondensator stanowił rurka szklana o średnicy 40 lub 60 mm,, zatopiona na jednym końcu, z  wydłużoną szyjką na drugim końcu; grubość ścianki wynosi 1,5 — 2,2 mm, a   szyjki 7—10 mm;  długość rurki bez szyjki  wynosi 400, 800 i 1200 mm. Wewnątrz i zewnątrz rurka jest powleczona galwanoplastycznie cieniutką warstewką srebra, która stanowi obłożenie kondensatora; ażeby uchronić obłożenie zewnętrzne od przetarcia, powleka się je warstwą miedzi. Tak przygotowany kondensator wstawia się w rurkę z blachy mosiężnej lub żelaznej, napełnionej wodą zmieszaną z gliceryną (dla zapobiegania zamarzaniu). W ten sposób chłodzenie jest doskonałe: płyn pochłania szybko wywiązujące się ciepło, tak, że nie następuje szkodliwe ogrzewanie się jednego miejsca. Dodatkowo istnieje radiator w postaci przewodzącej  blachy, która jest poczerniona, co ułatwia dla ułatwienia emisje promieniowania cieplnego.  Rurka kondensatora uszczelnia się względem osłony za pomocą wkładki kauczukowej.

Wnioski:

Obchody rocznicy 100- lecia odzyskania Niepodległości przez Polskie wymagają zaakcentowania wkładu Polskiej Myśli Technicznej w rozwój II Rzeczypospolitej, która stworzyła podstawy samodzielnego przemysłu we wszystkich branżach. Ogromne zasługi  w rozwój przemysłu chemicznego należy przypisać prof. Ignacemu Mościckiemu, który może być uważany za protoplastę polskiej elektrochemii. Jego międzynarodowe patenty stanowiły drogowskaz rozwoju polskiej myśli technicznej po odzyskaniu Niepodległości   w 1918 roku. Wstyd się przyznać ale do momentu analizy patentów prof. I. Mościckiego nie zdawałem sobie sprawy z potęgi intelektu i zdolności twórczych Prezydenta II Rzeczypospolitej. Mój skromny wpis na blogu traktuje jako symboliczne podkreślenie zasług Profesora I. Mościckiego w tworzeniu Polskiej Techniki,  po odzyskaniu Niepodległości, szczególnie w dziedzinie chemii i elektrotechniki. 

   Ps. Dla dociekliwych elektrotechników przedstawiam materiały na temat kondensatorów Mościckiego, które znane i stosowane były w całej Europie np. w układach zasilania wieży Eiffla. przeglad_techniczny_1911_t49_s48  oraz  przeglad_techniczny_1911_t49_s95

Przemówienie prezydenta Ignacego Mościckiego z 1936 z okazji Imienin wodza jakim był  Marszałek Józef Piłsudski, które powinno być kultywowana w Polskim Narodzie szczególnie w stosunku do honoru i odpowiedzialności Polityków.

https://www.youtube.com/watch?v=DuJ21vbI41Y

 

HYBRID SYNERGY DRIVE

        Dawno temu znajomy Prezes  kupił sobie hybrydę za duże pieniądze, żeby zaoszczędzić na paliwie, ale okazało się że zużycie paliwa jest normalne a samochód jest dość wołowaty.  Rozczarowany  Prezes sprzedał hybrydę i powrócił do samochodu z klasycznym napędem spalinowym. Minęło kilka lat hybrydy staniały i coraz częściej są widoczne na polskich drogach. Było nie było, musi coś być na rzeczy, że samochody hybrydowe  szczególnie produkcji japońskiej coraz bardziej zdobywają zaufanie polskich kierowców. Przeprowadzona analiza patentowa z tego zakresu prowadzi do wniosków, że technika samochodów hybrydowych jest coraz  bardzo intensywnie rozwijana, nawet w Polsce, szczególnie na Politechnice Warszawskie, co może sugerować  ekspansje tego typu samochodów w najbliższym czasie. Śmiem twierdzić, że produkcja klasycznych samochodów zmierza do końca, szczególnie z silnikami diesla, co może prowadzić do wniosku, że jest znowu szansa na rozwój własnych konstrukcji samochodów hybrydowych, jeżeli tylko znajda się środki na inwestycje w tej branży. Pionierem i wiodącym producentem samochodów hybrydowych jest Toyota, która od wielu lat rozwija i udoskonala konstrukcje hybryd pod wspólna nazwą Hybrid Synergy Drive – HSD.

Ideą hybrydowych napędów spalinowo-elektrycznych jest wykorzystanie zalet napędu elektrycznego, takich jak oszczędność i elastyczność, przy wyeliminowaniu jego największej wady, czyli małego zasięgu, przez wykorzystanie silnika spalinowego jako źródła energii.  Technologia HSD  https://pl.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive zapewnia napęd w pełni hybrydowy, umożliwiając również jazdę z napędem czysto elektrycznym, przy wyłączonym silniku spalinowym. W systemie Toyota HSD głównym źródłem napędu pozostaje silnik spalinowy, jednak konwencjonalną skrzynię przekładniową zastąpiono w nim przekładnią planetarną, która w połączeniu z napędem elektrycznym pełni rolę bezstopniowej skrzyni biegów. Tłokowy silnik spalinowy osiąga największą sprawność w wąskim zakresie prędkości obrotowych, musi jednak zapewniać napęd kół w całym użytkowym zakresie prędkości samochodu. W konwencjonalnych samochodach za dostosowanie prędkości i momentu obrotowego silnika do zapotrzebowania wynikającego z sytuacji odpowiada wielostopniowa przekładnia zębata, zwana skrzynią biegów. Podobnie jak w mechanicznych bezstopniowych skrzyniach biegów, przekładnia HSD dopasowuje wypadkowe przełożenie między silnikiem a kołami tak, by utrzymać optymalną prędkość obrotową silnika, a jednocześnie zapewnić odpowiedni moment brotowy przekazywany na koła podczas ruszania czy przyspieszania. Dlatego właśnie Toyota klasyfikuje samochody z napędem HSD jako wyposażone w elektroniczną,  bezstopniową skrzynię biegów e-CVT (electronic continuously variable transmission).

Pierwszy patent Toshiby opisuje zalety samochodu hybrydowego wynikające z zastosowania  dwóch rodzajów silników do napędu samochodu, które znacząco upraszczają jego konstrukcje  tzn, silnika spalinowego i silnika elektrycznego połączonych wspólnym wałem napędowym. Zastosowany   silnik synchroniczny  oprócz funkcji napędowych może działać jako rozrusznik silnika spalinowego oraz generator ładujący baterie podczas pracy silnika spalinowego.

    US6590360 Control device for permanent magnet motor serving as both engine starter and generator in motor vehicle, Toshiba, Hirata et al., Data patentu 08.07.2003.   Wynalazek dotyczy urządzenia sterującego silnikiem z magnesami stałymi służącym zarówno jako rozrusznik silnika, jak  i  generator napięcia do ładowania baterii w pojazdach silnikowych. Opisano urządzenie sterujące silnikiem z magnesem trwałym, który pełni  rolę zarówno rozrusznika silnika, jak i generatora w pojeździe silnikowym. Urządzenie sterujące zawiera obwód napędowy przekształcający prąd stały na prąd przemienny w celu dostarczania prądu zmiennego do silnika z magnesami trwałymi, przy czym obwód napędowy pracuje w układzie falownika trójfazowego wyposażonego w trzy ramiona połączonych szeregowo par  tranzystorów przełączających wyposażonych w diody flyback, przy czym obwód napędowy ma terminal wejściowy podłączony do kondensatora i zaciski wyjściowe podłączone do  trójfazowego silnika z magnesami trwałymi, a obwód falownika składa się z wielu połączonych szeregowo  elementów przełączających, wyposażonych w połączone równolegle  diody flyback. Układu choppera (przerywacza prądu stałego) połączony jest równolegle do kondensatora, a  jego  punkt środkowy połączony jest z baterią poprzez dławik.  Całością steruje system mikroprocesorowy poprzez układy driverów sterujących tranzystorowymi elementami przełączającymi.

Fig.1

W wyżej opisanym układzie, silnik  synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi  wirnika jest połączony z wałem wyjściowym silnika, aby służył jako rozrusznik silnika. Silnik synchroniczny  służy również jako generator do ładowania akumulatora po uruchomieniu silnika. W ten sposób pojedynczy  silnik  jest używany jako rozrusznik i generator. W konsekwencji, przestrzeń montażowa pojazdu silnikowego może być zmniejszona w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją,  w  której zarówno rozrusznik, jak  i  generator są dostarczane osobno. Ponadto, ponieważ nie jest wymagane sprzęgło między wałem wyjściowym silnika a silnikiem synchronicznym, przestrzeń montażowa może być dodatkowo zmniejszona. Konstrukcja według wynalazku eliminuje przekaźnik rozruchowy pomiędzy akumulatorem a rozrusznikiem. Ponieważ silnik jest napędzany przez obwód napędowy sterowany przez elementy sterujące, gdy działa on jako rozrusznik, układ  sterujący powoduje, że obwód choppera  (przerywacza)  nie działa, lub powoduje, że  działa jako  inwerter step-up (układ podwyższający napięcie), w obwodzie zasilania silnika z magnesami trwałym. Kiedy silnik z magnesem trwałym działa jako generator, układ  sterując powodują,  że obwód napędowy silnika nie działa, natomiast obwód choppera  działa jako inwerter step-down,  co zapewnia  ładowanie baterii, w przypadku  gdy napięcie generowane przez silnik jako generator, jest wyższa niż napięcie akumulatora. W przypadku, gdy napięcie generowane przez silnik jako  generator  jest niższe niż napięcie akumulatora, układ  chopper pracuje w konfiguracji inwertera  step-up z indukcyjnościami uzwojeń stojana silnika w charakterze dławików gromadzących energii,  co zapewnia prawidłowe  ładowanie baterii.

FIG.1 – jest schematem ideowo-funkcjonalnym elektrycznego  urządzenia sterującego pracą silnika  rozrusznik/generator według pierwszego przykładu wykonania  wynalazku;

FIG. 2 –  ilustruje schemat blokowy  samochodu, do którego stosuje się urządzenie sterujące według wynalazku ;

FIG. 3 – jest schematem obwodu ilustrujacym część układu elektrycznego urządzenia sterującego według drugiego przykładu wykonania zgodnie z wynalazkiem;

FIG.4A i 4B – są  wykresami przebiegów kluczujących tranzystorów falownika;

FIG. 5A i 5B  są  wykresami przebiegów sterujących w przeciw fazie dla tranzystorów falownika  w stosunku do  FIG. 4A i 4b;

FIG. 6 – przedstawia trzeci przykład wykonania zgodnie z wynalazkiem.

Przykład wykonania wynalazku ilustruje schemat układu sterowania elementami hybrydowego zespołu napędowego, który składa się z baterii 10, układu choppera  24, falownika trójfazowego 12, silnika synchronicznego 9 oraz układu mikroprocesorowego 33  z driverami 35,34.  Schemat blokowy samochodu hybrydowego 1 przedstawia rysunek Fig.2, na którym widoczne są dwa silniki, jeden spalinowy 2 oraz drugi elektryczny silnik synchroniczny 9. Siła napędowa  silnik 2 jest przenoszona przez przekładnię 3 i mechanizm różnicowy 4  oraz osie 6, tylnych kół 5,  które  są osiami napędowymi, podczas gdy osie 8 przednich kół 7  są  osiami jezdnymi.  Silnik synchroniczny  9 zawiera stojan wyposażony w  trójfazowe cewki stojana 9U, 9V i 9W oraz wirnik wyposażony w  magnesy  stałe.  Silnik 9 posiada  ponadto wał wirnika (niepokazany) połączony bezpośrednio  z wałkiem wyjściowym silnika 2.   Na wyposażeniu samochodu 1  znajduje się  również bateria elektryczna 10  o  napięciu 36V.  Urządzenie sterujące 11 według FIG.1 zawiera układ  falownika 12 służący jako układ napędowy.  Układ  falownika 12  zawiera sześć tranzystorów NPN 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W służących jako elementy przełączające,  połączone w konfigurację trójfazowego mostka.  Diody flywheel 15U, 15V, 15W, 16U, 16V i 16W są połączone odpowiednio z kolektorami i emiterami tranzystorów 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W. Zatem układ falownika 12 ma trzy ramiona 17U, 17V i 17W oraz  zaciski wejściowe 18 i 19 połączone odpowiednio z szynami DC, 20 i 21. Układ  12 falownika ma ponadto zaciski wyjściowe 22U, 22V i 22W połączone z odpowiednimi zaciskami cewek stojana 9U, 9V i 9W  silnika 9. Szyna zbiorcza  magistrali DC  21 jest podłączony do ujemnego zacisku baterii 10.  Kondensator buforujący  23 jest podłączony pomiędzy  szynami magistrali prądu stałego 20 i 21.   Urządzenie sterujące 11 zawiera ponadto układ choppera 24, który ma dwa tranzystory NPN 25 i 26 pełniące rolę elementów przełączających i dwie diody 27 i 28 połączone odpowiednio z kolektorami i emiterami tranzystorów. Kolektor tranzystora 25 jest podłączony do szyny prądowej DC 20, a jego źródło jest połączone z kolektorem tranzystora 26. Emiter tranzystora 26 jest podłączony do szyny prądowej prądu stałego 21.  Środkowy punkt układu choppera 24  jest połączony za pośrednictwem dławika  29   z  dodatnim zaciskiem baterii 10.

Urządzenie kontrolne 11 zawiera ponadto detektor napięcia baterii 30 połączony równolegle z baterią 10 oraz detektor napięcia obwodu głównego 31,  który jest połączony równolegle z kondensatorem 23 w celu wykrycia napięcia na jego  zaciskach. Czujnik 32 położenia wału silnika  9, wykonany jest w technice scalonego układu IC  Hall. Urządzenie kontrolne 11 zawiera ponadto mikrokomputer 33, który  ma porty wejściowe (nie pokazane),  do  których  połączone są zaciski wyjściowe detektora napięcia baterii 30, detektor napięcia 31 obwodu głównego i detektor położenia 32 wału silnika.  Wyjścia  driverów 34  układu napędowego połączone są odpowiednio z bazami  tranzystorów, odpowiednio 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W.  Natomiast wyjścia driverów 35 połączone są odpowiednio z bazami tranzystorów 25,26 układu choppera 24.

Prąd z baterii 10 przepływa przez dławik  29  i  tranzystor 26,  gdy tranzystor 26 obwodu choppera 24 jest włączony. Gdy tranzystor 26 jest wyłączony, energia elektryczna zmagazynowana w dławiku 29 jest rozładowywana przez diodę 27  tak,  że podwyższone napięcie jest przykładane do kondensatora 23.   W tym przypadku szybkość zwiększania napięcia zależy od współczynnika wypełnienia  sygnału PWM. Mikrokomputer 33 określa wartość wypełnienia  sygnału PWM zgodnie z  wartością napięcia na zaciskach baterii 10. W wyniku tego kondensator 23 jest ładowany elektrycznie, tak że jego napięcie jest odpowiednie dla napięcia wejściowego układu  falownika 12. Tak więc, układ choppera  24 i dławik  29 pracują w układzie inwertera step-up, podwyższającego napięcie baterii 10.

Sygnały  uruchomienia silnika powoduje, że  mikrokomputer 33  generuje sygnały sterujące, przełączające sekwencyjnie tranzystory  od 13U do 13 W i od 14U do 14 W,  w  obwodach  falownika  12,  tranzystory są kolejno włączane i wyłączane,  co zapewnia w konsekwencji,  impulsowe zasilanie prądem  zmiennym, trójfazowe uzwojenia stojana 9U,9V,9W silnika 9. Praca mikrokomputera 33 sterowana jest w pętli sprzężenia zwrotnego na podstawie sygnału położenia dostarczanego z detektora położenia 32, natomiast konstrukcja uzwojenia stojana silnika 9 posiada trójfazowe uzwojenie przesunięte względem siebie o 120 stopni. Ponieważ silnik 9 połączony jest wspólnym wałem z silnikiem spalinowym 2,  następuje jego rozruch,  co zapewnia pracę silnika w charakterze rozrusznika silnika 2. W przypadku gdy silnik 9 pracuje  jako generator, po uruchomieniu silnika 2, mikrokomputer 33 zatrzymuje dostarczanie sygnałów sterujących  do tranzystorów 13U do 13W i 14U do 14W układu falownika  12, tak, że wszystkie  tranzystory są w stanie nieaktywnym, dzięki czemu falownik 12  jest  wyłączony . Po uruchomieniu silnika 2  wirnik silnika  9 jest obracany ponieważ znajduje się na wspólnej osi obrotowej tak, że indukowane jest napięcie w każdej z cewek stojana od 9U do 9W. Napięcie indukowane w każdej cewce stojana jest przekształcane na napięcie stałe przez każdą  z diod od 15 U do 15 W i 16U do 16 W, układu 12 falownika pełniącego funkcję prostownika trójfazowego. Silnik 9 służy w tym przypadku jako generator źródła napięcia ładowania baterii 10.

Prędkość obrotowa wału wyjściowego silnika 2 zmienia się w zależności od stopnia położenia pedału przyśpieszacza samochodu 1. Odpowiednio, napięcie indukowane w każdej z cewek stojana 9U do 9W  również zmienia się w zależności od prędkości obrotowej wału wyjściowego silnika 2, które odpowiada zmianom napięcia DC w układzie ładowania baterii 10. Mikrokomputer 33 steruje obwodem choppera  24 tak, że bateria 10 jest ładowany przy odpowiednim napięciu.  Po pierwsze, napięcie na zaciskach kondensatora 23 lub napięcie obwodu głównego jest wykrywane przez detektor napięcia 31 obwodu głównego.  Gdy napięcie wykryte przez detektor napięcia 31 obwodu głównego jest wyższe niż napięcie znamionowe baterii 10, tzn. napięcie generowane przez  silnik 9 jest za wysokie, mikrokomputer 33 steruje sygnałem  PWM kluczowanie tranzystora 25 choppera 24.

W tym przypadku, gdy tranzystor 25 choppera  24 jest włączony, napięcie  z zacisków kondensatora 23 jest doprowadzane poprzez dławik  29 do baterii 10.  W konsekwencji napięcie na zaciskach kondensatora 23  jest  obniżane,  a  następnie doprowadzane do baterii 10.  W takim przypadku częstotliwość obniżania napięcia zależy od współcz. wypełnienia  sygnału  PWM.  Stopień redukcji napięcia staje się większy, gdy zmniejsza się wypełnienie  sygnału PWM.   W  rezultacie bateriia 10 jest ładowany odpowiednim napięciem.  Tak więc, chopper  24 pracuje  w konfiguracji  układu inwertera step-down.  Z drugiej strony, gdy napięcie na zaciskach kondensatora 23 wykryte przez detektor napięcia 31 obwodu głównego jest niższe niż napięcie znamionowe baterii 10, tzn. gdy napięcie generowane przez silnik 9 jest niskie, mikrokomputer 33 powoduje, że układ choppera  24 nie działa, ale tranzystor  25 jest utrzymywany w stanie włączonym. Natomiast, mikrokomputer 33 dostarcza sygnały PWM poprzez  drivery  34  do baz  tranzystorów 14U do 14W. W rezultacie tranzystory 14U do 14W  są  włączane   i wyłączane zgodnie z współcz. wypełnienia sygnału PWM. W tym przypadku, gdy w obwodzie falownika  12,  prąd jest wyprowadzany z cewki stojana 9U, tranzystor 14U jest włączany i wyłączany. Podobnie  tranzystor 14V jest włączany i wyłączany, gdy obwód falownika 12 prąd wypływa z cewki stojana 9V silnika 9.  Gdy tranzystor 14U  jest włączony, napięcie indukowane w cewce stojana 9U, 9V lub 9W powoduje przepływ prądu krążącego przez  cewkę stojana 9U,  tranzystor 14  i  diodę flywheel  16V lub 16W oraz  cewkę stojana 9V lub 9W.  W tym przypadku energia elektryczna jest magazynowana  przez cewki stojana 9U, 9V lub 9W.

Gdy tranzystor 14U jest wyłączony, energia elektryczna zmagazynowana w cewkach stojana 9U oraz 9V lub 9W jest rozładowywana przez diodę  flywheel 15U, tak, że podwyższone napięcie jest przykładane do kondensatora 23.  Opisane obwody pracują w układzie inwertera step-up sterowanym sygnałem PWM z regulowanym współcz. wypełnienia.  W wyniku tego kondensator 23 jest ładowany napięciem regulowanym, odpowiadającym wymaganiom układu ładowania baterii. Zasada pracy  tranzystorów 14V i 14W jest taka sama, jak w przypadku włączania i wyłączania tranzystora 14U opisanego powyżej.  W tym trybie pracy opisane obwody  pracuje w układzie  inwertera step-up z  cewkami stojana 9U do 9W jako dławikami.  Ponieważ wał silnika 9 jest bezpośrednio połączony z wałkiem wyjściowym silnika 2,  to  w  takiej konfiguracji silnik 9  może pracować jako rozrusznik silnika 2 oraz  generator do ładowania baterii 10, co zapewnia, że   przestrzeń montażowa samochodu  1  może być zmniejszona w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją, w której zarówno rozrusznik, jak i generator są dostarczane osobno. Opatentowana konstrukcja samochodu 1 eliminuje również  zastosowanie przekaźnika rozruchowego między akumulatorem 10, a  silnikiem 9, który pełnił by funkcje rozrusznika.  Gdy napięcie generowane przez napędzany silnik 9 działający jako  generator jest wyższy niż napięcie znamionowe baterii 10, to  obwody falownika 12  stają  się nieczynne, a układ  choppera  24 działa w konfiguracji konwertera step-down, z uzwojeniem stojana 9W  jako indukcyjnością magazynująca energie elektryczna, co zapewnia, że  bateria 10 jest prawidłowo  ładowana. Ostatecznie konstrukcja  opisanego układu, charakteryzuje się tym, że  silnik 9 mający tak duży moment obrotowy  można być  uruchomiony jako rozrusznik, oraz może działać jako generator do ładowania baterii 10.  Ponadto, nawet gdy napięcie baterii 10 spada, napięcie można zwiększyć tak, żeby było  można uruchomić  silnik  9  jako rozrusznik silnika spalinowego . Opis patentowy zawiera również kolejne przykłady wykonania wynalazku, które wyróżnia  modyfikacja układu choppera, Fig.3-6.

Z kolei nastepny patent Toyoty jest bardzo zbliżony do realizowanej  koncepcji rozwiązania technicznego  obecnie  produkowanych samochodów  hybrydowych Toyoty.

 US6476571  Multiple power source system and apparatus, motor driving apparatus, and hybrid vehicle with multiple power source system mounted thereon, Toyota, Sasaki, Data patentu 05.11.2002.   Celem niniejszego wynalazku jest  uproszczenie konstrukcji układu z wieloma źródłami zasilania do napędzania synchronicznego silnika trójfazowego, a także uproszczenie konstrukcji urządzenia, na przykład pojazdu hybrydowego, z zamontowany na nim systemem wielu źródeł zasilania.Fig.2

FIG.1 – schematycznie ilustruje strukturę pojazdu hybrydowego z zamontowanym na nim systemem wielu źródeł zasilania w pierwszym przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku;

FIG. 2 – jest schematem obwodu pokazującym obwód elektryczny układu zasilania wielu źródeł energii elektrycznej, pokazanego na FIG.1;

FIG.3 – jest schematem blokowym pokazującym program zwiększania napięcia wykonywany przez jednostkę sterującą w pierwszym przykładzie wykonania;

FIG.4 – to wykresy pokazujące przebiegi prądów elektrycznych w poszczególnych elementach w trakcie wykonywania programu zwiększania napięcia przedstawionego w FIG.3;

FIG.5 – jest schematem obwodu pokazującym zmodyfikowaną strukturę obwodu zastosowaną do silnika trójfazowego w z uzwojeniami stojana w konfiguracji trójkąta;

FIG.6 – jest schematem blokowym przedstawiającym procedurę kontrolną wykonywaną przez jednostkę sterującą w drugim przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku;

FIGA.7 – jest wykresem czasowym przedstawiającym operacje  sterowania odpowiednich tranzystorów w procesie sterowania jednobiegunowego;

FIGA.8 – jest schematem obwodu pokazującym zmodyfikowaną strukturę łączenia stosu ogniw paliwowych bez użycia styków przekaźników.

Strukturę pojazdu hybrydowego z zamontowanym na nim systemem dwóch  źródeł zasilania w pierwszym przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku ilustruje Fig.1. Pojazd hybrydowy zgodnie  z  FIG.1,  ma silnik 150  napędzany benzyną  z przekładnia konwersji mocy 110,  która obejmuje pierwszy silnik MG1, drugi silnik MG2 i planetarną jednostkę przekładniową 120.  Silnik 150, pierwszy silnik MG1 i drugi silnik MG2, są mechanicznie połączone za pośrednictwem przekładni planetarnej 120. Przekładnia planetarna 120 ma trzy obracające się wały odpowiednio połączone z przekładniami lub składnikami przekładni planetarnej 120.  Przekładnia planetarna 120 zawiera, jako swoje główne składniki, koło słoneczne 121 obracające się w środku, planetarne koło zębate 123, które obraca się zarówno wokół koła słonecznego 121, jak i na jego osi, oraz koło koronowe 122, które obraca się wokół koła zębatego planetarnego 123. Planetarne koło zębate 123 jest podtrzymywane przez planetarny nośnik 124. Pierwszy i drugi silnik MG1 i MG2 wchodzące w skład systemu napędowego  to silniki synchroniczne. Pierwszy silnik MG1 zawiera wirnik 132 z wieloma magnesami trwałymi przymocowanymi do jego zewnętrznej powierzchni obwodowej i stojanem 133  z nawiniętymi na nim cewkami trójfazowymi w celu utworzenia obrotowego pola magnetycznego. Podobnie, drugi silnik MG2 zawiera wirnik 142 z wieloma magnesami trwałymi przymocowanymi do jego zewnętrznej obwodowej powierzchni i stojanem 143 z nawiniętymi na nim cewkami trójfazowymi w celu utworzenia obrotowego pola magnetycznego.  Stojany 133 i 143 są przymocowane do obudowy 119. Cewki trójfazowe nawinięte na stojanach 133 i 143 silników MG1 i MG2 są połączone odpowiednio z baterią 194 poprzez pierwszy obwód napędowy 191 i drugi obwód napędowy 192. Pierwszy obwód napędowy 191 i drugi obwód napędowy 192, które są falownikami tranzystorowymi, wyposażone w trzy  parę tranzystorów w odniesieniu do każdej fazy jako elementy przełączające. Zarówno pierwszy obwód sterujący 191, jak i drugi obwód sterujący 192 są połączone z jednostką sterującą 190.  Tranzystory falowników 191 i 192 są włączane, w odpowiedzi na sygnały sterujące wyprowadzane z jednostki sterującej 190, tak,  że prąd elektryczny płynie pomiędzy baterią 194  a  silnikami MG1 i MG2. Każdy z silników MG1 i MG2 może działać jako silnik napedowy pojazdu, zasilany energią elektryczną  z baterii 194, co odpowiada napędowi elektrycznemu.  Każdy z silników MG1 i MG2 działa także jako generator, gdy odpowiadający mu wirnik 132 lub 142 jest obracany przez zewnętrzny moment obrotowy. W tym przypadku, silnik MG1 lub MG2 wytwarza siłę elektromotoryczną pomiędzy końcami cewek trójfazowych i umożliwia ładowanie baterii 194,  ten stan pracy jest określany jako działanie regeneracyjne baterii.  Pojazd hybrydowy według tego przykładu wykonania porusza się w różnych warunkach, w oparciu o funkcje przekładni planetarnej 120. Jednostka sterująca 190 połączona jest z  czujnikami prędkości 134,144  przekładni konwersji mocy 120. Pojazd hybrydowy według wynalazku jest wyposażony w baterie wysokiego napięcia 194, która zasila silniki MG1 i MG2 poprzez obwody driverów 191,192.  Bateria wysokonapięciowa 194 wytwarza napięcie o wartości prawie 300 woltów. Ten układ źródła  zasilania jest w dalszej części nazywany układem elektrycznym wysokiego napięcia. Pojazd hybrydowy ma również układ źródła zasilania o niskim napięciu, to jest akumulator niskonapięciowy 184, który odpowiada drugiemu źródłu prądu stałego według niniejszego wynalazku. Akumulator 184 niskiego napięcia zasila napięciem stałym 12 V  sterownik  EFI-ECU ( Electronic Fuel Injection –Electronic Control Unit) 170 i jednostką sterującą 190. Bateria  wysokonapięciowa 194 i akumulator niskonapięciowy 184 są połączone ze sobą za pośrednictwem jednostki konwertującej, falownika  180 w celu konwersji napięcia. Ponieważ akumulator niskonapięciowy 184 jest utrzymywany w stanie pełnego naładowania więc w przypadku spadku napięcia poniżej ustalonego progu włączany jest falownik 180, który przekształca energie z baterii wysokonapięciowej 194 do postaci napięcia stałego ładującego akumulator niskonapięciowy 184. Falownik 180  przekształca prąd stały w prąd przemienny, który po  przejściu przez  transformator izolujący i obniżeniu napięcia  jest ponownie przekształcany w przetworniku  z  prądu przemiennego na napięcie  prądu stałego ładujące akumulator 184.   Akumulator 184 niskiego napięcia jest połączony z pierwszym obwodem napędowym 191  i  pierwszym silnikiem MG1 za pośrednictwem przekaźników 21 i 22.  Taki układ umożliwia ładowanie baterii wysokiego napięcia 194 za pomocą energii elektrycznej nagromadzonej w akumulatorze 184 niskiego napięcia, jak opisano poniżej. Bateria 194 jest ładowany  energią elektryczną  z akumulatora 184 niskiego napięcia, z następujących powodów. Kiedy silnik 150 startuje ze stanu stacjonarnego, jednostka  sterująca 190 blokuje drugi silnik MG2 i obraca pierwszy silnik MG1 mocą elektryczną dostarczaną z baterii wysokiego napięcia 194.  Silnik MG1 obraca planetarny wałek nośny 127, przekładni planetarnej 120 i korbuje wał korbowy 156. W przypadku, gdy bateria  194 jest rozładowana, następuje jej ładowanie energią akumulatora 184 przez konwerter step-up i silnik 150  może zostać uruchomiony. Umożliwia to  kontrolę rozruchu z baterii  wysokiego napięcia 194. Po uruchomieniu silnika 150 pierwszy silnik MG1 jest wykorzystywany jako generator do generowania mocy elektrycznej. Konwersja mocy elektrycznej z  akumulatora  niskonapięciowej 184 do baterii wysokonapięciowej 194 musi zatem uzupełnić ładunek w baterii 194 do poziomu który umożliwia uruchamianie silnika 150. Obwód elektryczny sterowania silnikiem MG1 przedstawia rysunek Fig.2, która pokazuje połączenie baterii wysokiego napięcia 194, pierwszego obwodu sterującego 191, pierwszego silnika MG1, przekaźników 21 i 22, akumulatora niskiego napięcia 184 i zespołu sterującego 190. Bateria 194 jest również połączony z drugim obwodem sterującym 192 dla drugiego silnika MG2,  jak  pokazano na FIG.1, ale  to  połączenie jest pominięte dla uproszczenia na rysunku Fig.2.

Sześć tranzystorów od T1 do T6 połączonych w pary w pierwszym obwodzie napędowym 191 stanowi falownik tranzystorowy. Trójfazowe cewki U, V i W pierwszego silnika MG 1 są odpowiednio połączone z węzłami odpowiednich par tranzystorów (T1,T2 T3,T4 T5,T6). Diody flyback D1 do D6 znajdują się między kolektorem a emiterem odpowiednich tranzystorów od T1 do T6. Linie energetyczne P1 i P2 są połączone odpowiednio z terminalem dodatnim i końcówką ujemną baterii wysokiego napięcia 194.  Jednostka sterująca 190 wysyła sygnał sterujący Su, Sv i Sw oraz ich odwrócone sygnały, aby sterować tranzystorami T1 do T6 zawartymi w obwodzie napędowym 191. Jednostka sterująca 190 sukcesywnie reguluje czasy przełączania  sparowanych tranzystorów od T1 do T6 z sygnałami sterującymi Su, Sv i Sw w trakcie działania pierwszego silnika MG1 (w trybie rozrusznika  lub generatora). Obwód napędowy 191 wykonany jest układzie  falownika który zasila cewki trójfazowe U, V i W pierwszego silnika MG1 prądem o kształcie fale quasi-sinusoidalnych w systemie sterowania PWM tak, aby kształty fal wzajemnie się przesuwały o 120 stopni.  Prądy elektryczne przepływające przez cewki trójfazowe U, V i W silnika MG1  generują obrotowe pole magnetyczne, które wywołuje obrót wirnik 132 z magnesami trwałymi przymocowanymi obwodowo do jego zewnętrznych powierzchni.  Linia minusa zasilania P2 baterii wysokiego napięcia 194 jest połączona z minusem Q2 baterii niskiego napięcia 184 poprzez styk przekaźnika 22.  Plus  zasilania Q1 akumulatora 184 niskiego napięcia jest połączona z punktem zerowym trójfazowych cewek U, V i W  podłączonych przez uzwojenie stojana (w konfiguracji gwiazdy – Y) w  pierwszym silniku MG1, poprzez styk przekaźnika 21. W chwili rozruchu, EFIECU 170 i jednostka sterująca 190 powodują dostarczanie energii elektrycznej z baterii wysokiego napięcia 194 do pierwszego silnika MG1 przez pierwszy obwód napędowy 191, tak aby uruchomić silnik 150 za pomocą pierwszego silnik MG1. Kiedy ta standardowa operacja zawodzi, z powodu nadmiernemu rozładowaniu baterii wysokiego napięcia 194, system zapewnia przeładowanie energii z akumulatora 184 do baterii 194 według procedur S200,S210  algorytmu przedstawionego na rysunku Fig.3. Obwód konwersji energii z baterii 184 pracuje w konfiguracji układu step-up , na który składają się tranzystor T2 uzwojenia stojana U oraz diod D1.

Oznacza to, że obwód zwiększający napięcie wymagany dla tej operacji jest skonstruowany przez wykorzystanie cewki fazy U pierwszego silnika MG1 i tranzystora T2 oraz diody D1 falownika  191. Powtórne operacje on-off tranzystora T2 w pierwszym obwodzie sterującym 191 w odpowiedzi na sygnał sterujący wyprowadzany z jednostki sterującej 190 zapewnia  stopniowe ładowanie baterii wysokonapięciowej 194  ze źródła napięcia jakim jest akumulatora 184 niskiego napięcia. Sterowanie tranzystorem T2 we wcześniej ustalonym stosunku czasowym  trwa do momentu upłynięcia ustalonego czasu TT, który jest  określony w kroku S220, po którym następuje zakończenie kluczowania tranzystora T2. Wstępnie ustawiony okres czasu TT odpowiada ilości dostarczonego ładunku w baterii wysokiego napięcia 194 równym 10 [KJ]. Regulacja ustawionego okresu czasu TT odpowiednio określa ilość ładunku w baterii wysokiego napięcia 194. Program następnie odcina pobudzenie do przekaźników 21 i 22, procedura S230, aby przywrócić izolację obwodu  elektrycznego wysokiego napięcia od  obwodu elektrycznego niskiego napięcia. Następnie procedura kontrolna wychodzi z tego algorytmu zwiększania napięcia baterii 194  i powraca do standardowego trybu sterowania, ponieważ bateria wysokonapięciowa 194 ma teraz wymaganą moc elektryczną, aby uruchomić silnik 150,  przez jednostkę sterującą 190. W opisie pierwszego przykładu wykonania cewka fazy U pierwszego silnika MG1 jest wykorzystywana jako indukcyjność, w której energia magnetyczna jest akumulowana w celu  zwiększania  przetwarzanego napięcia w układzie konwertera. Podobnie cewka fazy V i cewka fazy W mogą być użyte jako indukcyjność . W przypadku cewki fazy V tranzystor T4 jest włączany i wyłączany, a bateria wysokiego napięcia 194 ładowana jest przez diodę D3. W przypadku cewki z fazą W tranzystor T6 jest włączany i wyłączany, a bateria wysokiego napięcia 194 ładowany jest przez diodę D5. Prąd elektryczny przepływający przez każdą fazę nie ma żadnego udziału w obrotowym polu magnetycznym w pierwszym silniku MG1. Doprowadzanie prądu do każdej cewki fazowej odpowiednio nie powoduje obrotu pierwszego silnika MG1. Podobnie dowolna z cewek trójfazowych drugiego silnika MG2 może również być stosowana jako indukcyjność. System opatentowanego zasilania napędu hybrydowego przewiduje również zmodyfikowana strukturę Fig.5 zastosowaną do silnika trójfazowego  z uzwojeniami stojana w konfiguracji trójkąta.  Opisana powyżej struktura obwodu zasilania  może alternatywnie być wykorzystana do ładowania akumulatora 184 niskiego napięcia energią elektryczną baterii 194 wysokiego napięcia. W tym przypadku zgodnie z  Fig.2  tranzystor T1 pracuje w układzie choppera (przerywacza)  ponieważ  jest połączony szeregowo  z  dodatnim  biegunem baterii 194, cewką fazy U pierwszego silnika MG1 i akumulatorem  184. Obciążalność tranzystora T1 jest regulowana, gdy styki przekaźników 21 i 22 są zamknięte. Regulacja czasu włączania i wyłączania choppera kontroluje prąd ładowania akumulatora 184.  W tej strukturze obwodu, gdy tranzystor Tl jest włączony, napięcie wyjściowe z baterii 194 jest doprowadzane do akumulatora 184  za pośrednictwem cewki  U magazynującej energie magnetyczna zgromadzona podczas przewodzenia tranzystora T1. Gdy tranzystor T 1  jest  wyłączany w ustalonym czasie w celu wytworzenia prądu ładowania w określonym z góry zakresie, prąd elektryczny przepływa przez ścieżkę cyrkulacyjną, zaczynając od cewki fazy U i przechodząc przez akumulator  184 i diodę D2 do drugiego końca  cewki fazy U.  Powtarzające się operacje włączania i wyłączania tranzystora T1 obniżają napięcie wyjściowe z baterii wysokiego napięcia 194 i powodują ładowanie akumulatora 184 niskiego napięcia  Jednostka sterująca 190 steruje włączaniem i wyłączaniem tranzystorów T1 i umożliwia łatwe ładowanie akumulatora niskonapięciowego 184  mocą elektryczną z baterii wysokiego napięcia 194.  Brak analiza drugiego przykładu wykonania wynika z faktu, że opis patentowy nie zawiera dokładnie zilustrowanej  struktury obwodu elektrycznego w tym przypadku.

 Wracając na Polskie podwórko należy z uznanie odnotować cała rodzinę patentów z zakresu hybrydowych układów napędowych autorstwa  Antoniego Szumowskiego, Profesora Politechniki Warszawskiej. Pierwszy patent PL209462B1 Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy,  Data patentu 30.09.2011, znajduje zastosowanie do napędów pojazdów, a zwłaszcza autobusów miejskich. Istota układu według wynalazku polega na tym, że silnik cieplny jest połączony z obwodem niskiego napięcia zawierającym baterie niskiego napięcia i starter-generator oraz z kołem słonecznym przekładni planetarnej poprzez sprzęgło i hamulec, zaś silnik elektryczny jest sterowany obwodem wysokiego napięcia, złożonym z układu sterującego i baterii akumulatorów trakcyjnych, a ten silnik elektryczny jest połączony poprzez hamulec z kołem pośredniczącym przekładni planetarnej, której jarzmo poprzez główną przekładnię mechaniczną jest połączone z przekładnią główną pojazdu, zaś główna przekładnia mechaniczna zawiera co najmniej jeden stopień przełożenia zmiennego.  Wynalazek został ukazany w przykładzie wykonania na rysunku w układzie blokowym.

Fig.3Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy według wynalazku posiada obwód niskiego napięcia ONN o napięciu 12 V, 24 V lub 36 V złożony ze startera/generatora S/G i baterii niskiego napięcia BNN. Ten układ ONN jest połączony z silnikiem cieplnym SC.  Silnik ten jest połączony poprzez sprzęgło S1 i hamulec H1 z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej PP.  Z kołem pośredniczącym KP tej przekładni PP jest połączony poprzez hamulec H2 silnik elektryczny ME.  Jest on sterowany obwodem wysokiego napięcia OWN złożonym z układu sterującego US i baterii akumulatorów trakcyjnych BT.  Ma ona napięcie w przedziale 300 – 600 V.  Jarzmo J przekładni planetarnej PP poprzez główną przekładnię mechaniczną P3 jest połączona z mostem napędowym PG pojazdu. Przekładnia ta zawiera co najmniej jedno zmienne przełożenie. Układ niskiego napięcia ONN umożliwia włączenie silnika cieplnego SC w dowolnym czasie, niezależnie od pracy napędowej układu dwuźródłowego. Pojazd, zwykle autobus miejski, przyspiesza do określonej prędkości przy napędzie od silnika elektrycznego ME oraz przy wyłączonym silniku cieplnym SC, przy odłączonym sprzęgle S1 i zahamowanym przez hamulec H1 wale koła słonecznego SŁ. (przekładnia planetarna PP uzyskuje jeden stopień swobody). Po osiągnięciu tej prędkości następuje włączenie sprzęgła S1 przy jednoczesnym zahamowaniu wału koła słonecznego SŁ hamulcem H1 oraz jednoczesnym rozruchem silnika cieplnego SC za pomocą starter/generatora S/G. Dalsze przyspieszanie pojazdu lub jazda ustalona odbywa się w sposób hybrydowy, przy jednoczesnym napędzie od dwóch silników: elektrycznego ME i cieplnego SC. Podczas hamowania pojazdu następuje jednoczesne wyłączenie silnika cieplnego SC poprzez rozłączenie sprzęgła S1 oraz zahamowanie wału koła słonecznego SŁ poprzez hamulec H1. Energia kinetyczna pojazdu zamieniana jest na energię elektromechaniczną akumulowaną w baterii akumulatorów wysokiego napięcia BT generowaną przez silnik elektryczny ME oraz wyzyskanie jednego stopnia swobody przekładni planetarnej PP po zahamowaniu jej koła słonecznego SŁ.  Przekładnia ta zachowuje się wtedy jak zwykła przekładnia redukująca. Układ niskiego napięcia ONN zasilający starter-generator S/G umożliwia ponowne szybkie uruchomienie silnika cieplnego SC, gdy wymagana jest praca hybrydowa napędu.

Kolejny patent PL210003B1 Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy Antoni Szumowski at al. Data patentu 30.11.2011, przedstawia koncepcje dwuźródłowego układu napędowego. Istota wynalazku polega na tym, że wał silnika spalinowego jest połączony ze stojanem silnikaelektrycznego, zaś ten stojan jest połączony z kołem koronowym przekładni planetarnej, natomiast wirnik tego silnika elektrycznego jest połączony z kołem słonecznym przekładni planetarnej, której jarzmo jest połączone wałem z przekładnią główną układu napędowego za pośrednictwem przekładni bezstopniowej. Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku.Fig4

Silnik spalinowy SC jest połączony wałem ze stojanem ST silnika elektrycznego ME. Ten stojan ST jest zasilany z baterii akumulatorów B napięciem o regulowanej częstotliwości za pomocą układu sterującego US. Wał wirnika W silnika elektrycznego ME jest połączony z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej PP. Wirujący stojan ST jest także połączony z kołem koronowym K tej przekładni planetarnej PP. Natomiast jarzmo J przekładni planetarnej PP jest połączone z odbiornikiem energii, np: mostem napędowym PG pojazdu za pośrednictwem przekładni bezstopniowej PB. Na wale łączącym silnik cieplny SC i stojan ST silnika elektrycznego ME znajdują się sprzęgło S i hamulec H1 oraz układ pierścieni ślizgowych PS, za pośrednictwem których przekazywana jest energia elektryczna do silnika elektrycznego ME. Na wale wirnika silnika elektrycznego ME umieszczony jest hamulec H2, którego włączenie powoduje unieruchomienie wirnika W względem stojana ST. Stojan ST silnika elektrycznego ME wirujący względem wirnika W powoduje zwiększenie zakresu prędkości obrotowej wału tego wirnika połączonego z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej. Moment obrotowy silnika spalinowego SC napędza stojan ST silnika elektrycznego, który wiruje z prędkością obrotową zależną od tego momentu. Jednocześnie stojan ST jest zasilany z baterii akumulatorów B napięciem o regulowanej częstotliwości. Powstaje ruch obrotowy wirnika W wokół stojana ST przetwarzając dwa momenty wejściowe w wypadkową prędkość wirnika W. Zwiększając moce obu silników zmieniamy rozkład prędkości. Połączenie elementów silnika elektrycznego ME według rozwiązania powoduje sumowanie się mocy na wale jarzma J przekładni planetarnej PP. Przekładnia bezstopniowa PB umieszczona pomiędzy wałem jarzma J przekładni planetarnej PP a przekładnią główną PG umożliwia płynną zmianę momentu obrotowego podawanego na przekładnię główną PG. W rozwiązaniu według wynalazku przy hamowaniu odzyskowym silnik elektryczny przechodzi w stan pracy generatorowej, a wirnik tego silnika jest napędzany przez przekładnię planetarną energia kinetyczną odbiornika mocy. Za pomocą sprzęgła S łączy się silnik cieplny SC ze stojanem ST silnika elektrycznego ME. Kiedy następuje rozłączenie sprzęgłem S silnika spalinowego i elektrycznego, przy włączonym hamulcu H1 wtedy mamy pracę elektryczną napędu (pracuje tylko wirnik W silnika elektrycznego). Włączenie hamulca H2, przy wyłączonym hamulcu H1 i włączonym sprzęgle S powoduje pracę mechaniczną napędu – pracuje tylko silnik cieplny SC.

Wnioski.

Przedstawiona analiza patentowa prowadzi do wniosków o przewadze technologicznej japońskich rozwiązań z zakresu pojazdów hybrydowych w stosunku do rozwiązań europejskich, szczególnie niemieckich. Niemieckie firmy samochodowe przespały początek rewolucji hybrydowej  i obecnie próbują nadgonić opóźnienie. Francuzi zainwestowali w samochody elektryczne, które maja w przyszłości podbić Europę ale na razie brakuje infrastruktury zasilającej samochody elektryczne, przynajmniej w Polsce. Jedynie Amerykanie rozwijają technologie hybrydowa, stąd  inwestycje patentowe Forda, który nie zamierza składać broni w konfrontacji z Toyota na rynku amerykańskim. Odpowiednikiem samochodów hybrydowych  Toyoty w USA  jest  Ford Fusion Hybrid,  który zadebiutował na amerykańskim rynku w 2009 roku. Obecnie w sprzedaży jest druga generacja po faceliftingu.  Auto zużywa 5,6 l/100 km według amerykańskiego standardu EPA. Pod względem stylu i wrażeń z jazdy nie różni się od konwencjonalnego Forda Fusion. Do wyścigu stanęła jeszcze Honda Accord Hybrid oraz  Kia Niro Hybrid , która ostatnio szeroko się reklamuje na rynku polskim. Reasumując wszystko wskazuje na to, że jesteśmy skazani na auta hybrydowe. I czy się to komuś podoba czy nie, to do nich należy najbliższa przyszłość motoryzacji. Na zakończenie warto obejrzeć reklamę Toyoty  na Youtube,  która obrazowo ilustruje zalety pojazdu hybrydowego:  Toyota hybrid system https://www.youtube.com/watch?v=jNuixuVhc5E

PS.

Toyota jako niekwestowany lider w produkcji hybryd proponuje  obecnie swoje nowe osiągnięcie w dziedzinie motoryzacji  – Prius Plug-in Hybrid drugiej generacji.  Nowy model zrewolucjonizuje rynek samochodów osobowych dzięki średniemu spalaniu na poziomie 1,2 l/100 km i emisji CO2 wynoszącej jedyne 28 g/km. Obecne limity emisji CO2, które  na europejskim rynku obowiązują od 2015r, wynoszą 130g CO2/km, co odpowiada średniemu spalaniu aut benzynowych na poziomie 5,6 l/100 km i diesli na poziomie 4,9 l/100 km. Prius Plug-in Hybrid jest napędzany przez napęd hybrydowy 4. generacji Toyoty Hybrid Synergy Drive.   4-cylindrowy silnik benzynowy 1.8 z wtryskiem paliwa pracujący w cyklu Atkinsona, który  współpracuje z silnikiem elektrycznym zasilanym przez baterię litowo-jonową 8,8 kWh. Drugi silnik elektryczny pełni rolę generatora odzyskującego energię z hamowania , rozrusznika  silnika benzynowego lub dodatkowego źródła napędu. Druga generacja może poruszać się wyłącznie na silniku elektrycznym w większym zakresie prędkości i na dłuższym dystansie. Silnik elektryczny dostarcza 91 KM mocy. Maksymalna prędkość w trybie EV wzrosła z 100 km/h do 135 KM/h, przy niemal takich samych osiągach w trybie elektrycznym jak hybrydowym. Akumulator trakcyjny litowo-jonowy o 95 ogniwach ma pojemność 8,8 kWh i zapewnia zasięg 50 km w trybie elektrycznym (wg producenta). Zasięg na pełnym baku i w pełni naładowanym akumulatorze wynosi 1030 km. Bateria jest chłodzona powietrzem. Została umieszczona pod tylną kanapą. Czas ładowania to 2,3 h.  Dodatkowo zamontowane na dachu ogniwo słoneczne ładuje akumulator trakcyjny podczas postoju, kiedy samochód nie jest podłączony do gniazdka. Pozwala to zwiększyć zasięg auta w trybie EV maksymalnie o 5 km dziennie. W czasie jazdy panel fotowoltaiczny ładuje uzupełniającą baterię 12 V przeznaczoną do obsługi dodatkowych urządzeń. Prius Plug-in ma trzy tryby jazdy: całkowicie elektryczny (EV) i dwa hybrydowe – Eco i Power. Tryb EV można włączyć ręcznie i wtedy sterownik napędu hybrydowego (ECU) wykorzystuje jedynie silnik elektryczny MG2 (dopóki akumulator nie osiągnie określonego stanu rozładowania lub nie zostanie przekroczony zakres prędkości trybu EV). Tryb Eco umożliwia maksymalną oszczędność paliwa we wszystkich warunkach jazdy, inteligentnie ograniczając otwarcie przepustnicy do 11,6%; modyfikuje również działanie układu klimatyzacji. Zaletą trybu Eco jest również ułatwione prowadzenie samochodu w warunkach gorszej przyczepności, ponieważ ograniczenie mocy zmniejsza ślizganie się kół na lodzie czy śniegu. W trybie Power sterownik mocy zwiększa otwarcie przepustnicy w zakresie średnich obrotów. A ponadto zastosowano rewolucyjne rozwiązanie ładowania baterii z ogólno dostępnej sieci energetycznej oprócz  możliwość pełnego naładowania na  stacji szybkiego ładowania w standardzie Mannekes. Na  wyposażeniu znajduje się przewód do ładowania samochodu ze standardowego gniazdka  oraz przewód zakończony wtyczką Mennekes.

WALKIE-TALKIE

     Miesiąc czerwiec to kolejna 74 rocznicy  inwazji w Normandii, podczas II Wojny Światowej, która  zdecydowała o losach  powojennej Europy, w tym Polski. Z uwagą odnotowałem nowe informacje w Internecie  na temat forsowanych  planów  Churchilla  wyzwolenia Europy Środkowej, w tym Polski poprzez inwazje na Bałkanach. Według teorii znawców historii II  WŚ  Churchill świadomie informował wywiad niemiecki o miejscu i dacie inwazji w Normandii,  co mogło skutkować porażka tej operacji i powrót do planów inwazji na Bałkanach. Na szczęście  Niemcy zignorowali podawane  na talerzu  informacje, traktując je jako fake news, które miały za zadanie dezinformacje o prawdziwych celach inwazji Aliantów. Fakt jest faktem, ze inwazja w Normandii zakończona została sukcesem, w którym swój udział mieli Polacy walczący na lądzie, w powierzy i na morzu.  Godnym odnotowania jest szerokie zastosowanie podczas inwazji radiostacji SCR-300 – pierwszej na świecie plecakowej radiostacja z modulacją  częstotliwością  FM, skonstruowana w 1940 przez polskiego inżyniera Henryka Magnuskiego. Radiostacja była powszechnie używana przez amerykańskie siły zbrojne w Europie i podczas walk na Pacyfiku z Japończykami pod popularną nazwą walkie-talkie.

Przed omówieniem opatentowanej radiostacji kilka słów wstępu w celu wprowadzenia w tematykę komunikacji radiowej. Uproszczony schemat blokowy nadajnika FM przedstawia  następujący rysunek :

Nadajnik kwarcowy FM

Nadajnik radiokomunikacyjny jest urządzeniem służącym do przetworzenia głosu na sygnały elektryczne i wysłanie ich w postaci fali elektromagnetycznej. Oczywiście zamiast sygnałów mowy mogą to być sygnały elektryczne, np. cyfrowe, i wtedy będziemy mieli do czynienia z nadajnikami emisji cyfrowych (analogicznie z odbiornikami). Każdy nadajnik składa się z dwóch zasadniczych bloków: układu formowania sygnału i wzmacniacza mocy. W zależności od rodzaju emisji można dokonać innego podziału nadajników:

  1. a) nadajnik telegraficzny (CW)
  2. b) nadajnik z modulacją amplitudy (AM)
  3. c) nadajnik jednowstęgowy (SSB)
  4. d) nadajnik z modulacją częstotliwości (FM).

Nadajniki z modulacją częstotliwości są najczęściej stosowane w zakresie UKF. W ich skład wchodzi generator kwarcowy, modulator częstotliwości lub fazy, wzmacniacz mikrofonowy, kilka stopni powielaczy, wzmacniacz wyjściowy. W nadajniku FM amplituda wyjściowa sygnału jest stała, a zmienia się częstotliwość sygnału w takt sygnału mowy. Wzmacniacze mocy i sterujące w nadajnikach telegraficznych oraz fonicznych z modulacją częstotliwości najczęściej pracują w klasie C (charakteryzują się dużą sprawnością). Każdy nadajnik można scharakteryzować poprzez podanie jego parametrów: − częstotliwość pracy (kHz, MHz, GHz) − niestałość częstotliwości pracy (±Hz/h) − rodzaj emisji wraz z jej parametrami − szerokość zajmowanego pasma (Hz,kHz) − moc wyjściowa w.cz. (W), FM: dewiacja częstotliwości.

Natomiast uproszczony schemat blokowy odbiornika FM zawiera  rysunek:

OdbiornikFM

Z kolej odbiornik radiokomunikacyjny jest urządzeniem służącym do odbierania fal elektromagnetycznych wysyłanych przez nadajnik, przetwarzanie ich na sygnały elektryczne, a następnie na głos lub inne sygnały przeznaczone do dalszego dekodowania Urządzenia odbiorcze ogólnie można podzielić na trzy grupy:

  1. a) odbiorniki o bezpośrednim wzmocnieniu − reakcyjne,
  2. b) odbiorniki o bezpośredniej przemianie częstotliwości − homodynowe,
  3. c) odbiorniki z przemianą częstotliwości (pojedynczą lub podwójną) –superheterodynowe.

Odbiorniki z przemianą częstotliwości są powszechnie stosowane w każdym zakresie odbieranych fal radiowych. Ich działanie polega na przemianie odbieranego sygnału wielkiej częstotliwości na mniejszą częstotliwość pośrednią (10,7MHz lub 9MHz czy 465kHz). Główne wzmocnienie odbiornika oraz selektywność osiąga się we wzmacniaczu pośredniej częstotliwości. Selekcji częstotliwości dokonują filtry kwarcowe lub piezoceramiczne. Najbardziej rozpowszechniona kategoria odbiorników są superheterodyny, które w przypadku odbiorników  do odbioru sygnałów z modulacją częstotliwości − FM posiadają po ostatnim stopniu wzmacniacza p.cz. ogranicznik amplitudy, obcinający wszelkie szumy i zakłócenia mające charakter modulacji amplitudy, a następnie detektor częstotliwościowy. Dodatkowy stopień blokady szumów blokuje stopień wzmacniacza małej częstotliwości, wyciszając odbiornik przy braku sygnału odbieranego. Każdy z odbiorników wyposażony jest w  ARW i ARC. Automatyczna regulacja wzmocnienia (ARW) zapewnia uzyskanie stałej amplitudy sygnału, niezależnie od zmian poziomu sygnału odbieranego, poprzez regulacje wzmocnienia  we wzmacniaczu pośredniej częstotliwości. Niekiedy obejmuje on także wzmacniacz wielkiej częstotliwości i mieszacz. Układ ARW zapobiega też przesterowaniu wzmacniaczy przez duże sygnały (na przykład z radiostacji lokalnych) i zmniejsza modulację skrośną. Automatyczna regulacja częstotliwości (ARCz, AFC) to obwód służący do automatycznego dostrajania odbiornika do częstotliwości odbieranej fali i kompensowania niewielkich zmian częstotliwości heterodyny wynikających z jej niestabilności.  Gdy odbiornik nie jest dokładnie dostrojony, układ ARCz wytwarza sygnał odpowiednio zmieniający częstotliwość heterodyny.

Swoją konstrukcje radiostacji z modulacją FM, Henryk Magnuski zawarł w patencie US2408791  RADIO COMMUNICATION SYSTEM zgłoszonym 21.06.1943r., który może stanowić przewodnik z zakresu konstrukcji profesjonalnego  transceivera, tzn. układu nadajnik-odbiornik, który posiada wspólne obwody obu składników, umieszczonych są w jednej obudowie. Z technicznego punktu widzenia transceiver ma zintegrowaną znaczną liczbę obwodów nadajnika i odbiornika.  Ponieważ opis patentowy jest dokładnym opisem schematu ideowego układu transceivera FM SCR-300, jego analizę zostawiam dla koneserów układów lampowych, którzy docenią nowatorskie jak na owe czasy rozwiązanie konstrukcyjne. Dla przybliżenia techniki radiowej dla zwykłego czytelnika bloga opis radiostacji SCR -300 oparty zostanie o schematy blokowe, które zostały adoptowane z oryginalnej instrukcji eksploatacyjnej radiostacji SCR-300A War Department Technical Manual TM-11-242, z 1945 roku.

Schematblokowyodb

Schemat blokowy toru odbiorczego transceivera SCR-300

Opatentowany transceiver składa się z nadajnika FM z modulatorem reaktancyjnym i odbiornika superheterodynowego FM z podwójna przemiana częstotliwości, których układy współpracują ze sobą, co zapewnia szybkie przełączanie jego trybów pracy nadawanie–odbiór. Przedstawiona  radiostacja z modulacja FM nazwana przez z żołnierzy walkie-talkie, pracowała w trybie półdupleks (half duplex) – wersja ograniczona dupleksu, w której przesyłanie i odbieranie informacji odbywa się naprzemiennie, powodując spadek prędkości transmisji. Zasięg radiostacji wynosił 3 mile – 4,8 km dla założonej mocy nadajnika rzędu 0,3 W, co w dużej mierze zależało do stanu  naładowania  90V baterii. Przestrajanie transceivera polega na wyborze jednego z dostępnych 41 kanałów o częstotliwości w zakresie od 40 do 48 MHz, co w praktyce oznacza szerokość pojedynczego kanału FM 200kHz. Podczas odbioru sygnał radiowego z wybranego kanału (40-48MHz) z anteny trafia do wzmacniacza w.cz (V6) gdzie jest wzmacniany a następnie podawany na mieszacz (V7), który zasilany jest równolegle sygnałem (17,85-21,85Mhz) z heterodyny (V4) nadajnika, który jest powielany w układzie podwajacza (V3) nadajnika do postaci sygnału (35,7-43,7Mhz). Sygnał pierwszej pośredniej częstotliwości (p.cz) z mieszacza o stałej częstotliwości 4,3 MHz trafia do wzmacniacza p.cz (V8,V9). Druga przemiana częstotliwości realizowana jest w mieszaczu (V10), który pracuje w układzie oscylatora kwarcowego 6,815Mhz co zapewnia generacje sygnału drugiej p.cz na częstotliwości 2,515Mhz. Sygnał drugiej p.cz poprzez wzmacniacz p.cz (V11) oraz ogranicznik amplitudy (V12,V13) podawany jest na dyskryminator FM (V14,V15), który realizuje funkcje detekcji sygnału FM. Sygnał małej częstotliwości (m.cz) z dyskryminatora podlega wzmocnieniu w wzmacniaczu akustycznym (V15), a następnie trafia do słuchawki odbiorczej.

Układ dyskryminatora FM realizuje równolegle trzy funkcje:

– dyskryminacja sygnału akustycznego z sygnału p.cz FM ;

– źródło sygnałów szumowych do układu tłumienia zakłóceń (V16,V17,V18);

– sygnał błędu ARCZ, który podawany jest na układ modulatora reaktancyjnego (V5), w celu realizacji pętli sprzężenia zwrotnego w układzie przestrajanej heterodyny (V4) .

Schmatnadajnika

Schemat blokowy toru nadawczego transceivera SCR-300

W trybie nadawczy modulator reaktancyjny (V5) sterowany jest sygnałem akustycznym z mikrofonu co zapewnia modulacje FM sygnału generowanego przez przestrajaną heterodynę (V4). Sygnał (V4) z modulacją FM w zakresie (17,85-21,85 MHz) w zależności od ustalonego kanału nadawczego po przejściu przez układ podwajacza ( V5) w zakresie (35,7-43,7Mhz), przetwarzany jest w mieszaczu kwarcowym (V2), 4,3MHz, do postaci sygnału wielkiej częstotliwości (w.cz) o częstotliwości w zakresie o (40-48MHz). Otrzymany sygnał w.cz po wzmocnieniu w stopniu wzmacniacza mocy (V1) trafia do eteru poprzez antenę prętową .

WNIOSKI

Henryk Magnuski – 30-letni pracownik Państwowych Zakładów Tele-Radiotechnicznych wyjeżdża w czerwcu 1939 roku do Nowego Jorku zobaczyć, jak Amerykanie pracują nad nowoczesnymi nadajnikami radiowymi. Wybuch II Wojny Światowej zmienia jego życie, ponieważ zostaje w USA i zatrudnia się w firmie Galvin Manufacturing Corporation (GMC), która siedem lat później zmieniła nazwę na Motorola. Zdolny inżynier z Polski, po studiach z zakresu telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej (skończył je w 1934 roku),  w PZT kierujący zespołem projektującym radiostacje wojskowe, szybko pokazał swoje możliwości także w Stanach Zjednoczonych. Dziełem życia Magnuskiego okazała się radiostacja SCR 300. Ważyła 16-17 kg, czyli była znacznie cięższa od radiotelefonu, ale miała też kilkukrotnie większy zasięg – ok. 15 km. Wcześniej do transportu tego rodzaju urządzeń trzeba było używać czołgów, a czasami i one okazywały się zbyt małe. Tymczasem polski inżynier skonstruował radiostację, którą każdy żołnierz był w stanie sam przenieść w plecaku (specjalnie do tego przygotowanym). Stąd też jej nazwa – walkie-talkie. Po wojnie Magnuski już nie wrócił do ojczyzny. Został w Stanach Zjednoczonych i kontynuował pracę w Motoroli. Zajmował się rezonatorami wnękowymi i ich zastosowaniem jako filtrów wejściowych w odbiornikach mikrofalowych (m.in. w odbiorniku „Sensicon”) oraz konstrukcją mikrofalowych stacji przekaźnikowych dla telefonii wielokrotnej, telewizji i transmisji danych.

Podkreślając dorobek Henryka Magnuskiego muszę dodać watek osobisty, wieloletnie zainteresowanie konstrukcjami transceiverów FM, które ograniczone było przez fakt braku dobrej literatury technicznej z tego zakresu. Wstyd się przyznać ale dopiero analiza patentu i dokumentacji radiostacji SCR-300 uzupełniła moje braki wiedzy z tego zakresu. Opisane materiały powinny być przedmiotem analizy z zakresy urządzeń radiowych na poziomie technikum z zakresu radiokomunikacji i elektroniki.

Jako ciekawostkę ilustrującą rozwój radiokomunikacji FM polecam materiał dydaktyczny rozpowszechniany w Armii USA, który przedstawia zalety zastosowania transceiverów FM w stosunku do technologii transmisji radiowej z modulacja amplitudy AM. HOW FM / FREQUENCY MODULATION RADIO WORKS – 1950’s https://www.youtube.com/watch?v=KDktD8o02KM

PS. Ponieważ Polacy walczyli na wszystkich frontach II WŚ, więc należy podkreślać przy każdej rocznicy wojennej,  wkład Polskich żołnierzy w pokonaniu hitlerowskich Niemiec. Mój father-in-law, podoficer I pułku Strzelców Podhalańskich podczas II WŚ przeprowadzał polskich żołnierzy przez Pireneje, z okupowanej Francji przez Niemców, do Hiszpanii. W listopadzie 1942 roku z ostatnia grupą 18 żołnierzy został schwytany po stronie hiszpańskiej i osadzony w obozie koncentracyjnym Miranda de Ebro w którym przebywał do kwietnia 1943 roku. W proteście przeciwko nieludzkim warunkom w obozie brał udział w słynnym strajku głodowym, którego wygranie zmusiło reżim Franko do zgody na ewakuacje kolejnych grup Polaków przez Portugalie do Giblartaru. Do Wielkiej Brytanii przedostał się dopiero 14 czerwca 1943 gdzie służył do końca II WŚ. Po wojnie wrócił do kraju w 1947 i pracował rzetelnie dla dobra Ojczyzny bez satysfakcji ze strony powojennego państwa, które nie doceniało jego wkładu w zwycięstwo Wojska Polskiego w II WŚ. Taki był los żołnierzy którzy walczyli na Zachodzie, w Ludowej Polsce, a dzisiaj  jest wzorem do naśladowania dla młodych Polaków, którzy mogą być dumni ze swoich Ojców i Dziadków.

Opis obozu Miranda de Ebro oraz sławnej głodówki Polaków dostępny jest dzięki wspomnieniom uczestnika tych wydarzeń Pana Władysława Popiołka, w Internecie: http://www.ww2escapelines.co.uk/campo-de-concentration-de-miranda-de-ebro-august-1941-march-1943/