DE102007039912A1

DE102007039912A1 - Asynchroner Stromgenerator mit Freikolbenmotor

Info

Publication number: DE102007039912A1
Application number: DE102007039912A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kuhl
Original assignee: Kuhl Norbert Dr
Current assignee: Kuhl Norbert Dr
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: WO2009024608A1; DE102007039912B4

Abstract

Eine Stromgeneratoranlage (1) mit einem asynchronen Generator (2) und einem Antrieb über Freikolben-Boxermotoren (19) wird beschrieben. Die Freikolbenmotoren (5) besitzen eine besonders robuste und wirkungsvolle Bauart, insbesondere im Hinblick auf die Umwandlung der linearen Bewegung des Freikolbens (22) in ein Drehmoment zum Antrieb des Generators (2), die in verschiedenen Varianten vorgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromgeneratoranlage mit einem asynchron betriebenen Generator und mindestens einem Freikolbenmotor als Antrieb.
Asynchron betriebene Stromgeneratoren sind seit langem bekannt. Sie dienen bevorzugt zur Erzeugung von Drehstrom, da sie relativ einfach im Aufbau und in der Betriebsweise sind. Sie werden in vielen verschiedenen Baugrößen hergestellt und in Generatoranlagen eingesetzt.
Als Antriebe für solche Generatoren, die üblicherweise über eine rotierende Welle mit Drehmoment versorgt werden, sind neben Turbinen, die mit Wasserkraft oder Verbrennungsgasen betrieben werden, Verbrennungsmotoren verschiedener Bauart im Gebrauch. Insbesondere sind für kleine oder mittlere Nennleistungen (1 kW bis 1 MW) Diesel- oder Ottomotoren im Einsatz. Diese Kurbelwellenmotoren haben jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad, der unter anderem durch die ungünstige Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine für den Antrieb des Generators erforderliche Rotation liegt. Aus diesem Grund werden solche Motoren im Wesentlichen nur für kleinere Aggregate, für autonome Stromversorgungen, etwa in abgelegenen Gebieten oder auf Schiffen, oder für Notstromaggregate verwendet.
Eine vom Prinzip des Kurbelwellenmotors verschiedene Art der Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine Rotation bzw. in ein Drehmoment bietet der so genannte Freikolbenmotor. Bei diesem wird die z. B. über die Expansion von Verbrennungsgasen erzeugte lineare Bewegung eines Kolbens ohne Verwendung eines Pleuels und einer Kurbelwelle in ein Drehmoment umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt über mechanische Kopplungen oder Getriebe, bei denen die Kolbenkraft in allen Phasen des Kolbenhubs stets unter demselben, optimalen Angriffswinkel übertragen wird. Hierdurch ergibt sich gegenüber dem Kurbelwellenmotor eine merkliche Erhöhung des erzielbaren Wirkungsgrads.
Eine für den Betrieb und die Steuerung besonders günstige Bauform von Freikolbenmotoren bietet der Freikolben-Boxermotor, bei dem zwei an ihren Rückseiten starr miteinander verbundene Kolben in zwei koaxial zueinander ausgerichteten Zylindern eine abwechselnde Hin- und Herbewegung ausführen. Der jeweilige obere Totpunkt der Hubbewegung eines Kolbens entspricht hierbei dem unteren Umkehrpunkt/Totpunkt des anderen Kolbens. Derartige Freikolben-Boxermotoren sind bspw. aus der DE 202 18 731 U1 bekannt. Bei dem dort anhand der 1 und 2 beschriebenen Zweitakt-Boxermotor ist in dem die beiden Zylinder verbindenden Stockgehäuse die Abtriebswelle des Motors drehbar gelagert. Die Abtriebswelle trägt zwei Zahnräder, die jeweils mittels zugehöriger Freiläufe auf ihr gelagert sind. Sie befinden sich im Inneren des die beiden Kolben verbindenden, aus zwei Teilen bestehenden Stocks und des Stockgehäuses. An jedem der beiden Teilstöcke, von denen einer oberhalb und der andere unterhalb der Zahnräder angeordnet ist, ist eine Zahnstange befestigt, die jeweils mit einem der beiden Zahnräder kämmt. Bei Hin- und Herbewegung der Kolben in den Zylindern wird die Abtriebswelle abwechselnd über eine Zahnstange und das jeweils in Blockierrichtung des Freilaufs beaufschlagte Zahnrad in einem bestimmten Drehsinn angetrieben. Das jeweils andere Zahnrad wird in Freilaufrichtung angetrieben und übt deshalb kein Drehmoment auf die Abtriebswelle aus.
Die in der DE 202 18 731 U1 beschriebene Konstruktion ist problematisch, da wegen der beengten Platzverhältnisse im Stockraum nur relativ kleine und damit wenig robuste Bauteile zulässt. Dadurch besteht die Gefahr des Materialbruchs bei den im Betrieb auftretenden hohen Belastungen. Auch sind die Zugänglichkeit und die Möglichkeit der Inspektion des Antriebs nicht zufriedenstellend. Eine weitgehend ähnliche Konstruktion ist auch in der DE 33 31 404 A1 gezeigt, die bereits den Einsatz zum Antrieb eines nicht näher spezifizierten Hilfsstromerzeugers vorschlägt. Diese Konstruktion des Freikolbenantriebs krankt jedoch an denselben Mängeln, wie diejenige nach der DE 202 18 731 U1 .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromgeneratoranlage mit einem Freikolbenmotor anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad hat und deren Antrieb eine besonders robuste und gut zugängliche Konstruktion aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Stromgeneratoranlage mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Nach Anspruch 1 verwendet die erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage einen asynchron betriebenen Generator, der bevorzugt als Drehstrom-Asynchrongenerator üblicher Bauart vorgesehen ist. Solche Asynchrongeneratoren sind in einem großen Bereich von verschiedenen Nennleistungen serienmäßig erhältlich. Ihre allgemeinen Betriebscharakteristiken und Vorteile sind bekannt und brauchen deshalb hier nicht näher erläutert werden. Sie besitzen eine Antriebswelle, über die ein Drehmoment und damit die Antriebsleistung auf den Rotor übertragbar sind. Über die Wicklungen des Ständers wird hieraus ein elektrischer Strom erzeugt, der üblicherweise als dreiphasiger Drehstrom an den Ausgangsklemmen des Asynchrongenerators abnehmbar ist.
Nach der Erfindung dient ein spezieller Freikolbenmotor als Antrieb für den Generator. Dieser ist als Freikolben-Boxermotor ausgebildet, bei dem zwei an ihren Rückseiten mittels eines – bevorzugt massiven – Verbindungsteils verbundene Kolben in je einem Zylinderraum gleitend hin- und her bewegbar sind. Die beiden Zylinderräume sind an ihren jeweiligen Enden abgeschlossen – bevorzugt mit einem Zylinderkopfdeckel – und fluchten miteinander. Da im Betrieb die Kolben abwechselnd durch ein Antriebsmedium mit Druck beaufschlagt werden, führen sie – über das Verbindungsteil kraftschlüssig gekoppelt – lineare Hin- und Herbewegungen aus.
An einer seitlichen Außenfläche des robusten und bevorzugt einstückig mit den beiden Kolben ausgebildeten Verbindungsteils ist erfindungsgemäß eine Zahnung vorhanden. Diese kann auch in Form einer separaten Zahnstange vorgesehen sein, die mit dem Verbindungsteil bspw. durch Schrauben fest verbunden ist. Diese Bauform wird im Allgemeinen zu bevorzugen sein, da sie einen leichten und relativ kostengünstigen Austausch dieses Bauteils bei Verschleiß oder Bruch der Zähne gestattet. Durch eine geeignete Formgebung der Zahnstange und der zugehörigen Montagefläche am Verbindungsteil, etwa mit Stufen/Nuten oder Ausbildung als Schwalbenschwanzverbindung, wird eine robuste Konstruktion mit optimaler Kraftübertragung erreicht.
Die erfindungsgemäße Zahnung bzw. Zahnstange (im Folgenden wird hierfür nur „Zahnung" erwähnt) kämmt mit mindestens einem auf ein einer drehbar gelagerten Welle angeordneten Zahnrad, welches unter der Einwirkung der Zahnung unmittelbar in Drehung versetzbar ist. Dieses Zahnrad ist somit das erste Bauteil des Freikolben-Boxermotors, an dem eine Umwandlung der schwingungsartigen Hin- und Herbewegung des Freikolbens in eine Rotation und damit in ein Drehmoment erfolgt. Diese Rotation erfolgt nach Maßgabe der Freikolbenbewegung, wobei unter „Freikolben" die Einheit aus den beiden Kolben und dem Verbindungsteil zu verstehen ist, abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung. Sie ist deshalb noch nicht ohne weiteres zur Erzeugung eines nur in einem Drehsinn wirkenden Drehmoments nutzbar. Wie diese Umwandlung erfolgt, wird im Folgenden anhand verschiedener konstruktiver Varianten erläutert.
Da die erfindungsgemäße Zahnung/Zahnstange immer an der der Peripherie des Zahnrads angreift, also stets mit einem gleichbleibenden, maximalen Hebelarm in Bezug auf die das Zahnrad tragende Welle, sind die Verhältnisse für die Kraftübertragung in allen Bewegungsphasen des Freikolbens immer gleich und immer auf dem höchsten möglichen Wert. Die Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in ein Drehmoment erfolgt somit immer unter optimalen Bedingungen.
Damit die Zahnung und das Zahnrad in Eingriff gelangen können, ist es nach Anspruch 2 erforderlich, dass das Zahnrad durch eine seitliche Öffnung des bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Verbindungsbereich zwischen den beiden Zylinderräumen in das Innere des Verbindungsbereichs hineinragt. In einer alternativen konstruktiven Variante kann das Verbindungsteil, oder zumindest dessen die Zahnung tragender Bereich, durch eine entsprechende Öffnung in den Außenraum ragen und dort mit dem Zahnrad oder mehreren Zahnrädern kämmen. In beiden Fällen steht für die Zahnung und das Zahnrad (bzw. die Zahnräder) genügend Raum zur Verfügung, damit diese hinreichend groß und robust ausgebildet werden können.
Räumliche Einschränkungen, wie sie bei dem eingangs geschilderten Stand der Technik auftreten, sind damit überwunden. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Freikolben-Boxermotors gibt dem Konstrukteur auch mehr Freiheit für die Gestaltung und Anordnung der weiteren Elemente zur Umwandlung der hin- und hergehenden Rotation des im Anspruch 1 genannten Zahnrads in eine kontinuierliche gleichsinnige Drehung. Über diese weiteren Elemente, etwa einen Freilauf, der nach Anspruch 3 der Lagerung dieses Zahnrads dient, und zusätzliche Zahnräder/Freiläufe, kann dieses Zahnrad unmittelbar gemäß Anspruch 4 oder mittelbar mit der Abtriebswelle des Freikolben-Boxermotors in Wirkverbindung stehen.
Da die Zahnräder und sonstigen beweglichen Bauteile des Freikolben-Boxermotors – außer den eigentlichen Kolben mit dem Verbindungsteil – außerhalb des zylindrischen Bauteils liegen, oder zumindest über eine Öffnung in diesem zugänglich sind, ist auf einfache Weise eine Schmierung dieser Teile möglich. Sie lassen sich auch ohne weiteres inspizieren und bei Bedarf austauschen, ohne dass ein die einzelnen Zylinder verbindendes Stockgehäuse, wie es beim Stand der Technik gemäß der DE 202 18 731 U1 vorgesehen ist, geöffnet werden müsste.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 5 kämmt das mittels eines ersten Freilaufs auf der Abtriebswelle gelagerte Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad, das zusammen mit einen parallelen Zahnrad auf einer von der Abtriebswelle beabstandeten Welle drehfest (bezüglich dieser Welle) gelagert ist. Das parallele Zahnrad treibt ein Umkehrzahnrad an, das zur Umkehr des Drehsinns erforderlich ist, welches ein zweites, ebenfalls über einen zweiten Freilauf auf der Abtriebswelle parallel zu dem mindestens einen Zahnrad gelagert ist. Dieser zweite Freilauf ist gleichläufig mit dem ersten Freilauf, d. h. er blockiert das Zahnrad in Bezug auf die Welle oder gibt es frei bei demselben Drehsinn wie der erste Freilauf. Mit dieser in den 2 und 3 dargestellten Konfiguration erfährt die Abtriebswelle bei jedem Hub des Freikolbens ein ausschließlich in dem gewünschten Drehsinn wirkendes Drehmoment, wie bei der Beschreibung des entsprechenden Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert wird. Der Drehsinn ergibt sich hierbei zwangläufig aus der übereinstimmenden Blockierrichtung der beiden verwendeten Freiläufe.
Der Anspruch 6 betrifft eine Abwandlung der dem Anspruch 5 zugrundeliegenden Konstruktion, bei der zwei Zahnräder unmittelbar mit der Zahnung/Zahnstange in Eingriff stehen. Diese beiden Zahnräder können in Bezug auf die Zahnung/Zahnstange entweder nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein, wobei jedes eine eigene Welle besitzt. Für das eine Zahnrad ist dies bevorzugt die Abtriebswelle des Freikolbenmotors, auf der das eine Zahnrad über einen ersten Freilauf gelagert ist. Das andere Zahnrad treibt – entweder unmittelbar oder über ein zu ihm paralleles, drehfest auf derselben Welle gelagertes weiteres Zahnrad – ein zweites Zahnrad an, das ebenfalls über einen zweiten Freilauf bevorzugt auf der Abtriebswelle gelagert ist. Der zweite Freilauf wirkt gleichsinnig wie der erste Freilauf, d. h. er hat dieselbe Blockier- bzw. Freilaufrichtung wie dieser. Auch hiermit wird die Hin- und Herbewegung des Freikolbens in eine stets gleichsinnig wirkende Drehbewegung überführt. Diese Bauform benötigt die wenigsten Teile und ist sehr kompakt. Sie lässt sich deshalb kräftig und robust gestalten, so dass die Zahnung sowohl der Zahnräder als auch der Zahnstange, die im Betrieb besonders starken Belastungen ausgesetzt sind, entsprechend dimensioniert werden kann. Dies gilt natürlich auch für die Variante nach Anspruch 5, die einen ähnlich kompakten Aufbau besitzt.
Bei den Bauformen nach den Ansprüchen 5 und 6 ist es nicht zwingend erforderlich den zweiten Freilauf mit dem zugehörigen Zahnrad auf der Abtriebsachse anzuordnen. Der Freilauf kann im Rahmen der Erfindung auch zur Lagerung des zweiten von der Zahnstange unmittelbar angetriebenen Zahnrads oder eines hierzu auf derselben Welle angeordneten, parallelen Zahnrads dienen. Hierbei ist jedoch eine korrekte Anordnung der Blockier- bzw. der Freilaufrichtung des Freilaufs zu achten, damit die Abtriebswelle von beiden auf ihr befindlichen Zahnrädern stets nur in einem Drehsinn angetrieben wird. Wird bspw. ein zweites Zahnrad gemäß Anspruch 6 von der Zahnung/Zahnstange des Freikolbens direkt angetrieben, so ist ein diesem Zahnrad zugeordneter Freilauf gegensinnig zu demjenigen des ersten Zahnrads, das auf der Abtriebswelle mittels eines Freilaufs gelagert ist, auszulegen. Durch geschickte Anordnung des zweiten Freilaufs ist es möglich die Verteilung der zu beschleunigenden und abzubremsenden Massen für jede Richtung des Freikolbenhubs zumindest annähernd gleich zu machen. Diese Maßnahme hat günstige Auswirkungen auf das Laufverhalten des Freikolbenmotors und die dynamischen Beanspruchungen der Bauteile.
Eine weitere konstruktive Möglichkeit ist im Anspruch 7 angegeben. Bei dieser Ausführung treibt die Zahnung/Zahnstange über das eine Zahnrad, das als Zwischenzahnrad dient und drehfest, d. h. ohne Freilauf, auf seiner Welle gelagert ist, einen Zahnstangenblock an. Der Zahnstangenblock ist hierfür auf seiner Oberseite mit einer Zwischenzahnstange versehen, deren Zahnung mit derjenigen der Zahnung/Zahnstange des Freikolbens korrespondiert. Der Zahnstangenblock führt unter der Einwirkung des Zwischenzahnrads eine lineare Hin- und Herbewegung aus, deren Richtung wegen des Zwischenzahnrads entgegengesetzt zu derjenigen der Zahnung/Zahnstange des Freikolbens erfolgt. Hierfür weist der Zahnstangenblock eine geeignete Lagerung auf, bspw. über Führungsschienen und Führungszapfen mit Wälzlagern. Der Zahnstangenblock treibt über zwei auf seiner Unterseite (der dem Zwischenzahnrad abgewandten Seite) angeordnete Zahnstangenabschnitte zwei getrennt auf zugehörigen Wellen gelagerte Zahnräder an. Diese entsprechen in der Anordnung und Funktion den beiden Zahnrädern, die nach Anspruch 6 unmittelbar von der Zahnung/Zahnstange angetrieben werden. Einzelheiten hierzu werden im Zusammenhang mit der Beschreibung des Ausführungsbeispiels anhand 3 erläutert.
Nach Anspruch 8 sind in den Endbereichen der Zylinder Federmittel vorgesehen. Diese sind bevorzugt als Druckfedern ausgebildet und dienen dazu, die Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts ihres Hubes abzubremsen bzw. zu beschleunigen. Hierbei wird die kinetische Energie des Kolbens in der Feder gespeichert bzw. bei Richtungsumkehr der Bewegung von ihr abgegeben. Dadurch wird eine verbesserte Ausnutzung der Kolbenkraft und damit des Treibstoffs erreicht.
Nach den Ansprüchen 9 bis 11 ist es vorteilhaft die Kopplung der Abtriebswelle des Freikolbenmotors mit der Antriebswelle des Generators über ein Getriebe zu gestalten, da hierdurch eine Anpassung der Drehzahlen ermöglicht wird. Somit lassen sich sowohl der Freikolbenmotor als auch der Generator im optimalen Frequenz/Drehzahlbereich betreiben. Das oder die Getriebe können im Rahmen der Erfindung beliebiger Bauart, bspw. mit Zahnrädern oder stufenlos einstellbar, und mit weiteren Freiläuf(en) und/oder Kupplung(en) versehen sein.
Eine Ausgestaltung der Stromgeneratoranlage nach den Ansprüchen 12 und 13, bei der mehrere Freikolben-Boxermotoren zusammenkoppelbar sind, bietet die Möglichkeit zum einen die Leistung der Anlage gestuft zu erhöhen oder abzusenken und zum anderen die maximale Nennleistung unter Einsatz von standardisierten, einzelnen Freikolben-Boxermotoren festzulegen. Gegenüber üblichen Kurbelwellenmotoren, bei den immer sämtliche Zylinder/Kolben in Betrieb sein müssen, ist dies ein Vorteil, da je nach Leistungsbedarf einzelne Freikolben-Boxermotoren zu- oder abgeschaltet werden können. Die stillgelegten Motoren haben weder einen Treibstoffverbrauch noch unterliegen sie Verschleiß, während die im Betrieb befindlichen Motoren in einem günstigen Arbeitsbereich betrieben werden können.
Eine solche Konzeption der Stromgeneratoranlage eignet sich besonders für Kleinkraftwerke, die bspw. im dezentralen, autonomen Einsatz, d. h. unabhängig von einem übergeordneten Stromnetz, verwendet werden. Hier ist die erfindungsgemäße, einfache Anpassung der Größe bzw. der Leistung der Stromgeneratoranlage von Vorteil. Natürlich ist mit den erfindungsgemäßen Stromgeneratoranlagen auch eine Einspeisung in vorhandene Stromnetze möglich, wozu natürlich eine Steuereinrichtung für die Einstellung der korrekten Frequenz und Phasenlage des eingespeisten Stroms erforderlich ist.
In der Stromgeneratoranlage nach der Erfindung werden bevorzugt Langhub-Freikolbenmotoren eingesetzt, da diese in Verbindung mit den Betriebscharakteristiken von asynchron betriebenen Generatoren einen in Bezug auf den Wirkungsgrad optimalen Betrieb erlauben. Hierzu werden Langhub-Zylinder verwendet, deren Hubweg wesentlich länger als der Zylinder-Innendurchmesser ist. Im Betrieb lässt sich hierdurch der im Zylinderraum herrschende Druck bis auf ca. 1 bar Überdruck abbauen und in Drehmoment an der Abtriebswelle des Freikolbenmotors umwandeln. Dadurch sind gegenüber herkömmlichen Motoren mit Kurbelwellenantrieb Leistungsgewinne von bis zu 30% erzielbar.
Die Geschwindigkeit des Freikolbens kann während des gesamten Hubwegs annähernd konstant gehalten werden, abgesehen von den Beschleunigungs- bzw. Bremsphasen in der Nähe der Umkehrpunkte der Bewegung. Dies bedeutet eine annähernd gleichbleibende Drehzahl an der Abtriebswelle. Kleinere Abweichungen der Drehzahl haben wegen der Charakteristik von asynchron betriebenen Stromgeneratoren nur einen minimalen Einfluss auf die Stromerzeugung.
Durch geeignete Auslegung der Betriebsparameter lassen sich niedrige Geschwindigkeiten der Freikolbenbewegung bis herunter zu 1 m/sec erreichen. Dadurch können einzelne Prozesse, wie z. B. das Auspressen der dekomprimierten Treibgase durch das Auslassventil und das Einführen der Treibgase durch das Einlassventil nahezu verlustfrei durchgeführt werden. Ebenso ist es möglich, einen derartigen Freikolbenmotor im Niedertemperaturbereich zu betreiben und bei Verwendung von Wasserdampf oder Mischdampf einen energiegünstigen Kreisprozess zu erreichen.
Freikolbenmotoren eignen sich für den Einsatz von verschiedenartigen Betriebsstoffen, wie etwa von Hochdruck-Wasserdampf oder von Verbrennungsgasen aus der Zündung von brennbaren Gasen oder Flüssigkeiten. Zumischung von anderen Medien, bspw. von Benzol in einer bestimmten Phase der Expansion der Treibgase, erlaubt eine bessere Prozessführung und damit eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades.
Bei Betrieb des Freikolben-Boxermotors mit Explosionsgasen werden diese bevorzugt in einer den Zylinderräumen vorgeschalteten Explosionskammer extern erzeugt. Die so erzeugten, unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Treibgase werden den Zylinderräumen über die Einlassventile zugeführt. Auch hier findet über den langen Hubweg eine adiabatische Dekompression statt, bei der die Temperatur den sinkenden Druck folgt und die Abgastemperatur einen relativ niedrigen Wert erreicht. Natürlich ist auch ein Betrieb als Zweitaktmotor mit abwechselnder Zündung eines explosionsfähigen Gemisches in den beiden Zylinderräumen nach Art eines Otto- oder Dieselmotors möglich und vom Erfindungsgedanken umfasst.
Die rein axiale Bewegung des Freikolbens bewirkt mehrere Vorteile gegenüber der Kurbelbewegung. Zunächst sind die Querkräfte, welche auf den Kolben und die Kolbenstange/Zahnstange wirken klein. Dies bezieht sich sowohl auf die Wirkung der Gas- wie auf die der Massenkräfte. Es gibt kein schräg stehendes Pleuel, das den Kolben kippen lässt bzw. einseitig mit der Zylinderwand zur Anlage bring, wobei hohe Reibkräfte auftreten. Diese bringen Verschleiß und Einbußen im Wirkungsgrad mit sich. Auch ist die Schmierung des Freikolbenmotors unkritisch, weil keine Relativbewegungen unter hohen Belastungen erfolgen. Lager, die beim Kurbelwellenmotor den höchsten Schmierungsbedarf haben, existieren nicht. Lediglich das Zylinderrohr und die Dichtungen (Kolbenringe) benötigen geringe Mengen Schmierstoff. Bei Betrieb mit Wasserdampf bzw. Mischdampf, z. B. aus Wasserdampf und Benzol, kann eine Schmierung der Kolben durch Öle entfallen. Das bei der adiabatischen Dekomprimierung ausfallende Wasser reicht aus, um die speziellen Kolbendichtringe zu schmieren.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Stromgeneratoranlage gemäß der Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage mit mehreren gekoppelten Freikolbenmotoren;
2 eine schematisierte Detailansicht eines Generators mit einem Freikolben-Boxermotor mit einer Zahnstange;
3 eine schematisierte Ansicht eines Freikolben-Boxermotors mit zwei Zahnstangen und einem Zwischenzahnrad;
4 eine schematisierte Detailansicht einer weiteren Zahnstangen/Zahnradanordnung eines Freikolben-Boxermotors nach der Erfindung;
5 eine schematisierte Detailansicht eines Endbereiches eines Zylinders;
6 eine schematisierte Darstellung der Kraftübertragung im Vergleich von Pleuel/Kurbelwelle und Freikolben/Zahnrad.
In der 1 ist eine asynchron betriebene Stromgeneratoranlage 1 mit Langhub-Freikolbenmotoren nach der Erfindung dargestellt. Gezeigt ist in schematisierter Darstellung eine Mehrzylinder-Stromgeneratoranlage mit einem Generator 2, der als asynchronen Generator üblicher Bauart gezeichnet ist, sowie mit einem Antriebsblock 3, der hier aus vier mechanisch gekoppelten Freikolbenmotoren 5 auf einem gemeinsamen Fundament 4 besteht. Die Freikolbenmotoren 5 sind als Freikolben-Boxermotoren 19 ausgebildet, wie anhand der 2 näher erläutert wird, und sind mit Versorgungsleitungen 6 für die Treibstoffzufuhr und Abgasleitungen 7 versehen. Die Versorgungsleitungen 6 führen zu Einlassventilen 36, 36a. Die Abgasleitungen 7 beginnen an Auslassventilen 37, 37a. Die Einlass- und die Auslassventile 36, 36a bzw. 37, 37a sind in den Zylinderkopfdeckeln 35, 35a in bekannter Weise und Funktion angeordnet. Die Abgasleitungen 7 leiten die Abgase über einen Wärmetauscher 8 und eine Filtereinrichtung 9 zu einem Auspuff 10.
Der Antriebsblock 3 weist auf dem Fundament 4 ein Gehäuse 11 auf, das die einzelnen Freikolbenmotoren 5 trägt und die verschiedenen mechanischen Bauteile des Antriebsblocks 3 umgibt. Diese Bauteile umfassen u. a. die Abtriebswellen 13 der einzelnen Freikolbenmotoren 5, sowie Kupplungen 15, mittels derer die Abtriebswellen 13 der einzelnen Freikolbenmotoren 5 miteinander bzw. mit der Antriebswelle 14 des Generators 2 kraftschlüssig koppelbar sind, wie in 2 gezeigt ist. Für den Betrieb der Freikolbenmotoren erforderliche Hilfsaggregate, wie Zündeinrichtungen und Steuerungen, Pumpen, Befestigungselemente, Wärme- und/oder Schallisolierungen etc. sind in den Figuren nicht dargestellt.
Der asynchrone Generator 2 besitzt Klemmen, hier schematisch als Klemmkasten 16 gezeichnet, an denen die elektrische Leistung abnehmbar ist.
Einzelheiten der Steuerung der Stromerzeugung mittels asynchronen Generatoren 2 und des Betriebs der Freikolbenmotoren 5 sind dem Fachmann geläufig und werden deshalb hier nicht weiter erläutert.
Die 2 zeigt eine schematische Detailansicht eines Generators 2 und mit einem als Boxermotor ausgebildeten Freikolbenmotor 5 nach der Erfindung. In dieser sowie den folgenden Darstellungen sind die Zylinder 20 der Freikolben-Boxermotoren 19 teilweise geschnitten gezeigt um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Wie in 2 und 3 gezeigt ist, besteht der Freikolben-Boxermotor 19 im Wesentlichen aus einem Zylinder 20, der in einem zylindrischen Bauteil zwei an den Enden befindliche und miteinander fluchtende Zylinderräume 21, 21a, sowie einen im Inneren des Zylinders 20 frei hin und her beweglichen Freikolben 22 aufweist. Der Freikolben 22 umfasst zwei einzelne Kolbenabschnitte die jeweils aus den eigentlichen Kolben 23, 23a gebildet sind und die über ein Verbindungsteil 28 in Form eines Schaftes 30 an ihren Rückseiten 29 miteinander verbunden sind. Die Kolben 23, 23a besitzen auf der Vorderseite einen Kolbenboden 25 sowie einen Kolbenmantel 26 in den eine Kolbendichtung 27 eingearbeitet ist. Diese besteht üblicherweise aus Kolbenringen.
Die beiden Enden des Zylinders 20 sind jeweils mit einem Zylinderkopfdeckel 35, 35a abgeschlossen, in dem jeweils ein Einlassventil 36, 36a und ein Auslassventil 37, 37a angeordnet sind. In den beiden Endbereichen des Zylinders ist je ein Zylinderraum 21, 21a gebildet, in dem sich der jeweilige Kolbenabschnitt hin und her bewegen kann. Der Abstand zwischen den beiden Zylinderkopfdeckeln 35, 35a abzüglich der Gesamtlänge des Freikolbens 22 bestimmt den Hubraum des Freikolben-Boxermotors 19. Steuereinrichtungen für die Betätigung der Ventile, Treibstoffpumpen und ähnliche Hilfsaggregate für den Betrieb des Motors sind dem Fachmann geläufig. Sie sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Der Schaft 30 des Verbindungsteils 28 der beiden Kolben 23, 23a ist an einer seiner Seitenflächen 38 mit einer Zahnstange 32 versehen, die eine Zahnung 33 aufweist, und die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Schaftes 30 erstreckt. Im mittleren Bereich des Zylinders 20 – außerhalb der von den Kolben 23, 23a überstrichenen Zylinderräume 21, 21a – befindet sich eine Öffnung 39 (s. 3), durch die ein erstes Zahnrad 47 in Eingriff mit der Zahnung 33 der Zahnstange 32 steht. Dieses erste Zahnrad 47 ist auf der Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 über einen ersten Freilauf 45 (in der Zeichnung verdeckt) gelagert. Der erste Freilauf 45 besitzt eine Freilaufrichtung 53, in welcher er bei Drehung kein Drehmoment auf die Abtriebswelle 13 ausüben kann und eine Blockierrichtung 54, in welcher er kraftschlüssig auf die Abtriebswelle 13 einwirkt und diese in Drehung versetzt.
Das erste Zahnrad 47 kämmt mit einem Zahnrad 41, das zusammen mit einem weiteren Zahnrad 41a auf einer Welle 49 drehfest gelagert ist. Das Zahnrad 41a kämmt mit dem Umkehrzahnrad 52, das mit einer weiteren Welle 49a drehfest verbunden ist. Das Umkehrzahnrad 52 steht seinerseits mit einem zweiten Zahnrad 48 auf der Abtriebswelle 13 in Eingriff. Dieses zweite Zahnrad 48 ist über einen zweiten Freilauf 46 auf der Abtriebswelle 13 gelagert, dessen Freilaufrichtung 53 bzw. Blockierrichtung 54 mit derjenigen des ersten Zahnrads 47 übereinstimmt.
Nach 2 ist auf der Abtriebswelle 13 ein Zahnrad 17a aufgekeilt, das zusammen mit einem Ritzel 17 ein Getriebe 12 darstellt, dessen Abtriebswelle 13a über eine Kupplung 16 mit der Antriebswelle 15 des asynchronen Generatoraggregats 2 verbunden ist. Ein derartiges Getriebe dient zur Anpassung der Drehzahl an der Abtriebswelle 13 des Freikolbenmotors 5 an die für den asynchronen Betrieb des Generatoraggregats 2 erforderliche Drehzahl. Die Abtriebswelle 13a ist mit einem Mehrkant 19 versehen, über den weitere – hier nicht dargestellte – analoge Abtriebswellen 13a von zusätzlichen Freikolben-Boxermotoren 19 über entsprechende Kupplungen drehfest ankoppelbar sind, wie dies in 1 gezeigt ist.
Im Betrieb des Freikolben-Boxermotors 19 in einer Stromgeneratoranlage 1 nach der Erfindung wird der Freikolben 22 unter der Einwirkung der in den Zylinderräumen 21, 21a beispielsweise durch Zündung des Treibstoffs gebildeten heißen und unter hohem Druck stehenden Gase periodisch im Zylinder 20 hin und her bewegt. Dies geschieht im Sinne einer periodischen Schwingung in Richtung der Pfeile A bzw. B. Diese lineare Bewegung wird in eine kontinuierliche Drehung der Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 mit einem durch den Pfeil C gegebenen Drehsinn überführt. Bei Bewegung des Freikolbens 22 in Richtung des Pfeils A wird das erste Zahnrad 47 von der Zahnung 33 der Zahnstange 32 im Sinne des Pfeils C angetrieben und überträgt über den in dieser Drehrichtung blockierenden ersten Freilauf 45 ein entsprechendes Drehmoment auf die Abtriebswelle 13. Das erste Zahnrad kämmt auch mit dem weiteren Zahnrad 41 und treibt über dieses und das zugehörige parallele Zahnrad 41a das Umkehrzahnrad 52 derart an, dass das Umkehrzahnrad 52 in derselben Richtung (hier entgegen dem Uhrzeigersinn) wie das erste Zahnrad 47 dreht. Diese Drehung wird vom Umkehrzahnrad 52 auf das zweite Zahnrad 48 übertragen, das auf derselben Abtriebswelle 13 wie das erste Zahnrad über einen zweiten Freilauf 46 gelagert ist. Zwar wird das zweite Zahnrad 48 in dieser Phase mit entgegen gesetzter Drehrichtung zum ersten Zahnrad 47 angetrieben, aber da der zugehörige zweite Freilauf 46 hierbei in seiner Freilaufrichtung betrieben wird, erfolgt keine Drehmomentübertragung auf die Abtriebswelle 13. Diese Freilaufrichtung stimmt mit derjenigen des ersten Freilaufs 45 überein. Die Abtriebswelle erfährt somit lediglich ein Drehmoment vom ersten Zahnrad 47 in der gewünschten Drehrichtung gemäß Pfeil C.
Bei Bewegung des Freikolbens in der entgegen gesetzten Richtung, also Richtung gemäß Pfeil B, überträgt das erste Zahnrad 47 kein Drehmoment auf die Abtriebswelle 13, da der zugehörige erste Freilauf 45 in seiner Freilaufrichtung beaufschlagt wird. Das erste Zahnrad treibt aber, wie schon erläutert, das weitere Zahnrad 41 und über das parallele Zahnrad 41a das Umkehrzahnrad 52 an, dieses jedoch diesmal im umgekehrten Drehsinn, d. h. im Uhrzeigersinn. Das Umkehrzahnrad 52 überträgt diese Drehung auf das zweite Zahnrad 48, das hierdurch im Sinne des Pfeils C angetrieben wird und ein entsprechendes Drehmoment auf die Abtriebswelle 13 ausübt, da der zugehörige zweite Freilauf 46 in seiner Blockierrichtung beaufschlagt wird.
Auf diese Weise wird die Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 ständig im gewünschten Drehsinn gemäß Pfeil C angetrieben. Hierbei erfolgt die Drehmomentübertragung je nach Bewegungsrichtung des Freikolbens 22 abwechselnd einmal vom ersten Zahnrad 47 unmittelbar über den zugehörigen ersten Freilauf 45 einmal mittelbar über eine Anordnung von Zahnrädern zur Drehrichtungsumkehr und das zweite Zahnrad 48 mit dem zugehörigen Freilauf.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausbildung eines Freikolben-Boxermotors 19 für eine asynchron betriebene Stromgeneratoranlage 1 nach der Erfindung dargestellt. Diese Bauform unterscheidet sich durch die Art der Übertragung der Bewegung des Freikolbens 22 in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 13.
Bei der Bauform nach 3 kämmt die Zahnstange 32 des Freikolbens 22 mit einem Zwischenzahnrad 71, das über Lager 72 im – nicht gezeigten – Gehäuse 11 gelagert ist. Das Zwischenzahnrad 71 greift an einer Zwischenzahnstange 73 an, – in der 3 verdeckt – die Teil eines Zahnstangenblocks 74 ist. Der Zahnstangenblock 74 umfasst zwei voneinander seitlich beabstandete Führungsschienen 75, 75a, zwischen denen sich die Zwischenzahnstange 73 mit nach oben weisenden Zähnen befindet, sowie zwei zueinander seitlich versetzte Zahnstangenabschnitte 76, 76a, mit nach unten weisenden Zähnen. Die Führungsschienen 75, 75a besitzen jeweils eine Längsnut 77, 77a so dass sie auf am Gehäuse 11 gelagerten Führungszapfen 78 mit Wälzlagern 79 eine Längsverschiebung des Zahnstangenblocks 73 ermöglichen. Im Betrieb überträgt das Zwischenzahnrad 71 die Hin- und Herbewegung des Freikolbens 22 auf den Zahnstangenblock 74, wobei sich die Bewegungsrichtung wegen des Zwischenzahnrads 71 umkehrt. An der Hin- und Herbewegung nehmen auch die Zahnstangenabschnitte 76, 76a teil, die ihrerseits mit je einem Zahnstangen-Zahnrad 80 bzw. 81 in Eingriff stehen. Ein erstes Zahnstangen-Zahnrad 80 ist hierbei auf der Abtriebswelle 82 über einen ersten Freilauf 83 gelagert und kämmt mit den Zahnstangenabschnitt 76. Die Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 ist derart, dass auf die Abtriebswelle 82 mit dem ersten Zahnstangen-Zahnrad nur dann ein Drehmoment übertragen wird, wenn der Zahnstangenblock 73 in die durch den Pfeil A dargestellte Richtung verschoben wird.
Das zweite Zahnstangen-Zahnrad 81 ist in Bezug auf das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 seitlich und in Längsrichtung versetzt auf einer weiteren Welle 85 aufgekeilt, die auch ein weiteres, paralleles Zahnrad 86 drehfest trägt. Das parallele Zahnrad 86 kämmt wiederum mit dem Umlenkzahnrad 87, das parallel zum ersten Zahnstangenzahnrad 80 über einen zweiten Freilauf 84 auf der Abtriebswelle 82 gelagert ist. Der zweite Freilauf 84 ist gleichläufig zum ersten Freilauf 83 des ersten Zahnstangen-Zahnrades 80 ausgebildet, d. h. das Umlenkzahnrad 87 blockiert, wenn der Zahnstangenblock 74 gemäß dem Pfeil B in die andere Richtung bewegt wird.
Die Drehrichtung der Abtriebswelle 82 ist durch den Pfeil C dargestellt. Wenn der Zahnstangenblock 74 durch den Freikolben 22 in Richtung von Pfeil A bewegt wird, dreht sich das erste Zahnstangen Zahnrad 80 in Richtung des Pfeils D und treibt, da der erste Freilauf 83 gesperrt ist, die Abtriebswelle 82 an, während das Umlenkzahnrad 87 aufgrund des gleichläufigen zweiten Freilaufs 84 frei durchdreht. Wenn der Zahnstangenblock 74 anschließend durch die Bewegungsumkehr des Freikolbens 22 in Richtung von Pfeil B bewegt wird, dreht sich das Umlenkzahnrad 87 in Richtung des Pfeils E und treibt, da der zweite Freilauf 84 gesperrt ist, die Abtriebswelle 82 gemäß dem Pfeil C an, während das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 aufgrund des gleichläufigen, aber durch den zugehörigen ersten Zahnstangenabschnitt 76 in Freilaufrichtung beaufschlagten ersten Freilaufs 83 frei durchdreht.
Auf der Abtriebswelle 82 ist ein Abtriebszahnrad 88 angeordnet, das mit der Abtriebswelle 82 über einen zusätzlichen Freilauf 89 verbunden ist. Das Abtriebszahnrad 88 treibt ein Ritzel 90 auf der Antriebswelle 91 an, die mit Lagern 92, 92a am Gehäuse 11 gelagert ist. Die Antriebswelle 91 ist an den Enden mit einem Mehrkant 93 oder dergleichen versehen, um mehrere nebeneinander angeordnete Freikolbenmotoren 5 durch entsprechende Kupplungen 15 drehfest miteinander bzw. mit der Antriebswelle 14 des Generators 2 miteinander verbinden zu können, wie dies in der 1 beispielhaft für vier Freikolbenmotoren 5 gezeigt ist.
In 4 ist eine Teilansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Freikolbenmotors gezeigt. Dargestellt sind lediglich eine Hälfte des Freikolbens 22 sowie die Anordnung der Zahnräder und Freiläufe, wobei der zweite Freilauf 84 jedoch verdeckt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf das in 3 gezeigte Zwischenzahnrad 71 und die Führungsschienen 75, 75a verzichtet und die beiden Zahnstangenabschnitte 76, bzw. 76a werden unmittelbar oder unter Verwendung eines Zwischenstücks an der Seitenfläche 38 des Verbindungsteils 28 befestigt. Die übrigen erforderlichen Bauteile, wie Zahnräder, zugehörige Wellen und Freiläufe, entsprechen in Anordnung und Funktion weitgehend den in 3 gezeigten Bauteilen. Allerdings ist der zweite Freilauf 84 bei diesem Ausführungsbeispiel dem zweiten Zahnstangen-Zahnrad 81 zugeordnet und nicht dem Umlenkzahnrad 87, wie es bei der in 3 gezeigten Konstruktion des Freikolben-Boxermotors der Fall ist.
Hervorzuheben ist, dass auch bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das mit dem zweiten Zahnstangenabschnitt 76a kämmende zweite Zahnstangenzahnrad 81 gegenüber dem mit der ersten Zahnstange 76 kämmenden ersten Zahnstangenzahnrad 80 sowohl seitlich als auch in Längsrichtung versetzt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist auch denkbar, dass die beiden genannten Zahnstangen-Zahnräder 80, 81 ohne seitlichen Versatz hintereinander angeordnet sind, wofür natürlich die dann erforderliche einzige Zahnstange entsprechend lang ausgebildet sein muss. Bei seitlich versetzten Zahnstangen-Zahnrädern kann an Stelle der gezeigten parallel angeordneten zwei Zahnstangenabschnitte 76 und 76a selbstverständlich eine einzige hinreichend breite Zahnstange eingesetzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 ist auf der Abtriebswelle 82 des Freikolbenmotors ein erstes Zahnstangen-Zahnrad 80 mittels eines ersten Freilaufs 83 gelagert, sowie ein Umlenkzahnrad 87, welches drehfest mit der Abtriebswelle 82 verbunden ist. Das erste Zahnstangenzahnrad kämmt mit dem einen Zahnstangenabschnitt 76. Die Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 ist derart, dass bei Bewegung des Freikolbens und damit des Zahnstangenabschnitts 76 in Richtung von Pfeil A der erste Freilauf 82 blockiert und damit ein in Drehrichtung gemäß Pfeil C wirkendes Drehmoment auf die Abtriebswelle 82 ausübt. Bei Bewegung in Richtung des Pfeils B dreht der erste Freilauf 83 in seiner Freilaufrichtung 53 frei durch. Auf einer weiteren Welle 85 ist ein zweites Zahnstangen-Zahnrad 81 über einen zweiten Freilauf 84 (in der Figur verdeckt) gelagert, zusammen mit einem parallelen Zahnrad 86, das drehfest mit der Welle 85 verbunden ist. Der zweite Freilauf ist gegenläufig zum ersten Freilauf 83 ausgebildet. Er blockiert folglich bei Bewegung des Zahnstangenabschnitts 76a in Richtung von Pfeil B und läuft frei bei Bewegung in Richtung von Pfeil A. Das parallele Zahnrad 86 kämmt mit dem Umlenkzahnrad 87.
Bewegt sich der Freikolben 22 und damit die Zahnstangenabschnitte 76 und 76a in Richtung von Pfeil A, so treibt der Zahnstangenabschnitt 76 das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 in Richtung des Pfeils D und damit in Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 an. Das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 überträgt somit das anliegende Drehmoment auf die Abtriebswelle 82, die sich hierdurch in der gewünschten Richtung gemäß Pfeil C dreht. Der andere Zahnstangenabschnitt 76a kämmt mit dem zweiten Zahnstangen-Zahnrad 81, aber da dessen (zweiter) Freilauf 84 in Freilaufrichtung beaufschlagt wird, übt dieses kein Drehmoment auf die Welle 85 aus.
Bei Umkehr der Bewegung des Freikolbens in Richtung von Pfeil B läuft das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 frei durch, während das zweite Zahnstangen-Zahnrad 81 in Blockierrichtung des zugehörigen zweiten Freilaufs 84 angetrieben wird. Über die Welle 85 wird dieses Drehmoment auf das parallele Zahnrad 86 übertragen, das sich somit in Richtung des Pfeils E dreht. Diese Drehung wird unter Umkehr der Drehrichtung auf das Umlenkzahnrad 87 übertragen, welches drehfest mit der Abtriebswelle 82 verbunden ist und diese dadurch in der gewünschten Richtung gemäß Pfeil C antreibt.
Somit wird die Abtriebswelle 82 bei jedem Hub des Freikolbens, unabhängig von dessen Bewegung in Richtung von Pfeil A oder Pfeil B, stets im selben Drehsinn gemäß Pfeil C angetrieben. Die in 4 gezeigte konstruktive Variante benötigt gegenüber den zuvor beschriebenen Bauformen nach den 2 und 3 die geringste Anzahl von Zahnrädern und sonstigen Bauteilen. Sie ist deshalb besonders kompakt und robust.
Die 5 zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung den Endbereich eines Zylinders 20, der mit einem Zylinderkopfdeckel 35 abgeschlossen ist. Der Zylinder ist hier, wie auch in den 2 und 3, teilweise geschnitten dargestellt. Der Zylinderkopfdeckel 5 ist mit einem Einlassventil 36 und einem Auslassventil 37 versehen und trägt – soweit erforderlich – auch die hier nicht gezeigte Zündkerze für das Antriebsmedium. Im Zylinderkopfdeckel ist zudem eine Druckfeder als Federelement 94 vorhanden, mittels dessen der Freikolben 22 bei Annäherung an das Ende seines Hubes abgebremst und in Gegenrichtung beschleunigt werden kann. Hierdurch sind eine verbesserte Betriebsweise und ein erhöhter Wirkungsgrad des Freikolbenmotors 5 und damit der Stromgeneratoranlage erzielbar.
Die 6 dient zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen der Drehmomentübertragung bei einem Motor mit Kurbelwelle und einem Freikolbenmotor nach der Erfindung. Bei einem Motor 110 mit Kurbelwelle 111, der in 6a schematisiert dargestellt ist, ändert sich der Angriffswinkel der Pleuelstange 112 an der Kurbelwelle 111 periodisch zwischen einem Wert „Null Grad” und einem Maximalwert. Der Wert „Null Grad" wird am oberen Totpunkt 115 erreicht (linkes Teilbild in 6a), bei dem das Treibstoffgemisch im Zylinder 20 gezündet wird und der maximale Druck herrscht, bzw. am nicht dargestellten unteren Totpunkt an dem der maximale Kolbenhub erreicht ist. Da der Angriffswinkel und damit der effektive Hebelarm an der Kurbelwelle 111 in diesen Bereichen klein sind, ist die Übertragung des resultierenden Drehmoments (Kraft × Hebelarm) klein. Bei weiterer Expansion der Verbrennungsgase wird zwar der Hebelarm zunächst größer, aber die Gase haben bereits wesentlich weniger Druck. Zudem greift die Pleuelstange 112 stets unter einem Winkel, der kleiner als 90° ist, an der Kurbelwelle 111 an (mittleres und rechtes Teilbild in 6a). Insgesamt ist somit die Übertragung der Hin- und Herbewegung des Kolbens 23 in eine Drehbewegung nicht optimal.
Bei einem Freikolbenmotor 5, der erfindungsgemäß als Freikolben-Boxermotor ausgebildet ist, greift die am Verbindungsteil 28 des Freikolbens 22 angeordnete Zahnstange 32 in allen Phasen der Hubbewegung unter einem unveränderlichen Winkel am ersten Zahnrad 47 an, wie in 6b für einen Kolben schematisch dargestellt ist. Damit erfolgt die Kraftübertragung in allen Phasen der Kolbenbewegung mit einem maximalen und konstanten Hebelarm, der durch den Radius 116 des ersten Zahnrads 47 gegeben ist. Dies bedeutet, dass die Kraftübertragung vom Freikolben 22 auf die Abtriebswelle 13 des Freikolbenmotors 5 zur Erzeugung eines Drehmoments immer unter optimalen Bedingungen verläuft.
In 6c ist der Verlauf des übertragenen Drehmoments für einen Motor mit Kurbelwelle und für einen Freikolbenmotor nach der Erfindung schematisiert dargestellt. Horizontal ist der Drehwinkel für eine volle Umdrehung der angetriebenen Welle aufgetragen und senkrecht dazu das jeweilig übertragene Drehmoment in relativen, beliebigen Einheiten. Die Kurve A für den Motor mit Kurbelwelle ändert sich periodisch zwischen dem Wert „Null" und einem Maximalwert. Für den Freikolbenmotor ergibt sich ein konstanter maximaler Wert gemäß Kurve B. Der Vorteil des Freikolbenantriebs gegenüber dem Kurbelwellenantrieb ist deutlich erkennbar.

1: Stromgeneratoranlage
2: Generator
3: Antriebsblock
4: Fundament
5: Freikolbenmotor
6: Versorgungsleitungen
7: Abgasleitungen
8: Wärmetauscher
9: Filtereinrichtung
10: Auspuff
11: Gehäuse
12: Getriebe
13, 13a: Abtriebwelle
14: Antriebswelle
15: Kupplung
16: Klemmen
17: Ritzel
18: Mehrkant
19: Freikolben-Boxermotor
20: Zylinder
21, 21a: Zylinderraum
22: Freikolben
23, 23a: Kolben
25: Kolbenboden
26: Kolbenmantel
27: Kolbendichtung
28: Verbindungsteil
29: Rückseite
30: Schaft
32: Zahnstange
33: Zahnung
35, 35a: Zylinderkopfdeckel
36, 36a: Einlassventil
37, 37a: Auslassventil
38: Seitenfläche
39: Öffnung
40: Zylinderbereich
41, 41a: Zahnrad
43: Freilauf
44: Freilauflager
45: Erster Freilauf
46: Zweiter Freilauf
47: Erstes Zahnrad
48: Zweites Zahnrad
49: Welle
51: Drehrichtung
52: Umkehrzahnrad
53: Freilaufrichtung
54: Blockierrichtung
71: Zwischenzahnrad
72: Zwischenzahnstange
74: Zahnstangenblock
75, 75a: Führungsschienen
76, 76a: Zahnstangenabschnitt
77: Längsnut
78: Führungszapfen
79: Wälzlager
80: Erstes Zahnstangen-Zahnrad
81: Zweites Zahnstangen-Zahnrad
82: Abtriebswelle
83: erster Freilauf
84: zweiter Freilauf
85: weitere Welle
86: paralleles Zahnrad
87: Umlenkzahnrad
88: Abtriebszahnrad
89: Freilauf
90: Ritzel
91: Antriebswelle
92: Lager
93: Mehrkant
94: Federelement
110: Motor
111: Kurbelwelle
112: Pleuelstang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20218731 U1 [0005, 0006, 0006, 0016]
- DE 3331404 A1 [0006]

Claims

Stromgeneratoranlage (1) mit einem asynchron betriebenen Generator (2) und mindestens einem Freikolbenmotor (5), der über eine rotierende Abtriebswelle (13) mit der Antriebswelle (14) des Generators (2) zu dessen Antrieb verbunden ist und der jeweils zwei mittels eines Verbindungsteils (28) über ihre Rückseiten (29, 29a) miteinander verbundene Kolben (23, 23a) aufweist, die jeweils in einem am Ende geschlossenen Zylinderraum (21, 21a) gleitend geführt sind, wobei die Zylinderräume (21, 21a) miteinander fluchtend/koaxial angeordnet sind und die Kolben (23, 23a) über ein Antriebsmedium in Hin- und Herbewegung versetzbar sind und wobei das Verbindungsteil (28) an mindestens einer Seitenfläche (38) mit einer Zahnung (33) oder einer Zahnstange (32) versehen ist, die mit mindestens einem auf einer Welle (49) angeordneten Zahnrad (47, 71) in Eingriff steht, welches Zahnrad (47, 71) in unmittelbarer oder mittelbarer Wirkverbindung mit der Abtriebswelle (13) steht.
Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinderräume (21, 21a) Teil eines gemeinsamen Zylinders (20) sind und dass der Zylinder (20) an zumindest einer Seitenfläche (38) eine Öffnung (39) für den Durchtritt der Zahnung (33) bzw. Zahnstange (32) oder des mindestens einen Zahnrads (47, 71) aufweist.
Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71) mit einem Freilauf (43, 45) versehen ist.
Stromgeneratoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71) auf der Abtriebswelle (13) des Freikolbenmotors (5) mittels des Freilaufs (43, 45) gelagert ist.
Stromgeneratoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71) mit einem weiteren, auf einer Welle (49) drehfest gelagerten Zahnrad (41) kämmt, das über ein auf der selben Welle (49) gelagertes paralleles Zahnrad (41a) und ein Umkehrzahnrad (52) ein auf der Abtriebswelle (13) über einen zweiten Freilauf (46) gelagertes zweites Zahnrad (48) antreibt, wobei der zweite Freilauf (46) gleichläufig mit dem Freilauf (45) des mindestens einen Zahnrads (47, 71) ist.
Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zahnräder mit der Zahnung (33) bzw. Zahnstange (32) in Eingriff stehen, wobei das erste Zahnrad (47) über einen ersten Freilauf (45) mit der Abtriebswelle (13) des Freikolbenmotors (5) in Verbindung steht und das andere Zahnrad (47a) unmittelbar oder über ein zu ihm parallel auf der selben Welle (49) drehfest gelagertes weiteres Zahnrad (41) mit einem auf der Abtriebswelle (13) über einen zum ersten Freilauf (45) gleichläufig wirkenden zweiten Freilauf (46) gelagerten zweiten Zahnrad (48) kämmt.
Stromgeneratoranlage nach oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (41, 71) mit einem verschieblich geführten Zahnstangenblock (74) gekoppelt ist, die mit zwei Zahnstangen-Zahnrädern (80, 81) in Eingriff steht, wobei das erste Zahnstangen-Zahnrad (80) mit der Abtriebswelle (13) über einen ersten Freilauf (83) in Verbindung steht, das zweite Zahnstangen-Zahnrad (81) ein Umlenkzahnrad (87) gegenläufig zum ersten und zweiten Zahnstangen-Zahnrad (80, 81) antreibt und das Umlenkzahnrad (87) mit der Abtriebswelle (13) über einen zum Freilauf (83) des ersten Zahnstangen-Zahnrads (80) gleichläufigen Freilauf (84) verbunden ist.
Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Endbereichen der Zylinder (20) Federmittel (94) vorgesehen sind, die zur Abbremsung und Beschleunigung der Kolben (23, 23a) dienen.
Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Abtriebswelle (13, 91) ein Abtriebszahnrad (88) angeordnet ist.
Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebszahnrad (88) über einen Freilauf (89) mit der Abtriebswelle (13, 91) verbunden ist.
Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebszahnrad (88) mit einem Ritzel (17, 90) auf der Antriebswelle (14) des Generators (2) in Eingriff bringbar ist.
Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Freikolbenmotoren (5) vorhanden sind, deren jeweilige Abtriebswellen (13, 91) drehfest miteinander verbindbar sind.
Stromgeneratoranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenmotoren (5) jeweils unabhängig voneinander betreibbar sind.