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Die
Erfindung betrifft eine Stromgeneratoranlage mit einem asynchron
betriebenen Generator und mindestens einem Freikolbenmotor als Antrieb.
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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.
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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.
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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.
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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
42 01 569 A1 bekannt. Bei dem dort anhand der
1 und
2 beschriebenen
Zweitakt-Boxermotor ist in dem die beiden Zylinder verbindenden
Gehäuse
die Abtriebswelle des Motors drehbar gelagert. Die beiden Zylinder
sind mittels einer Schubstange miteinander starr verbunden, wobei
die Schubstange auf zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen
mit Zahnstangen versehen ist. Die Zahnstangen sind jeweils mit einem
Zahnrad wirkverbunden, das mittels eines Freilaufs mit einem auf
der Abtriebswelle gelagerten Abtriebszahnrad steht. Durch abwechselnde
Kraftübertragung
von dem einen oder dem anderen Zahnrad wird die Hinundherbewegung
der Freikolben in eine reine gleichsinnige Rotation an der Abtriebswelle
umgewandelt. Ähnliche
Konstruktionen mit mehreren Zahnstangen sind auch in der
DE 35 31 862 A1 und
der
DE 10 2006
003 026 A1 beschrieben.
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Eine
weitere Variante eines Freikolbenmotors ist in der
DE 202 18 731 U1 gezeigt.
Die in einem Stockgehäuse
angeordnete 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.
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Die
in der
DE 202 18 731
U1 beschriebene Konstruktion ist problematisch, da die
beengten Platzverhältnisse
im Stockraum nur relativ kleine und damit wenig robuste Bauteile
zulassen. 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 .
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Die
DE 44 47 138 A1 betrifft
eine Stromgeneratoranlage mit einem als Freiflugkolbenmaschine bezeichneten
Motorantrieb, dieser weist jedoch ein Pleuel und eine Kurbelwelle
auf und ist somit kein Freikolbenmotor im Sinne der Erfindung. Die
DE 102 41 101 A1 zeigt
einen Stromgenerator mit Antrieb über Freikolbenmotore, bei der
ein geradlinig hin und her bewegter Läufer in Statorwicklungen einen
Strom erzeugt. Für
die Umwandlung des pulsierenden Stroms in einen für Verbraucher
nutzbaren Stromverlauf sind aufwendige Maßnahmen erforderlich. Die in der
DE 43 15 229 A1 beschriebene
Generatoranlage, bei der ein Freikolbenantrieb zwei hin und her schwenkende
Läufer
antreibt, verwendet eine Synchronwechselstrommaschine und ist als
Hilfsaggregat in einem Kraftfahrzeug konzipiert. Ein Getriebe zur
Umwandlung der Freikolbenbewegung in eine reine Rotation ist nicht
erwähnt.
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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.
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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.
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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 übertragen wird. Über die
Wicklungen des Ständers wird
hieraus ein elekt rischer Strom erzeugt, der üblicherweise als dreiphasiger
Drehstrom an den Ausgangsklemmen des Asynchrongenerators abnehmbar
ist.
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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 wird. 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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Zahnung
bzw. Zahnstange (im Folgenden wird hierfür nur „Zahnung" erwähnt)
kämmt mit
mindestens einem auf 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.
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Da
die erfindungsgemäße Zahnung/Zahnstange
immer an 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 denen 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 einem Verschleiß, während die im Betrieb befindlichen
Motoren in einem günstigen
Arbeitsbereich betrieben werden können.
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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.
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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 Zylin derraum 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.
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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.
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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.
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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.
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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 dem 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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
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Im
Folgenden wird die Stromgeneratoranlage gemäß der Erfindung anhand der
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Eine
erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage
mit mehreren gekoppelten Freikolbenmotoren;
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2 eine
schematisierte Detailansicht eines Generators mit einem Freikolben-Boxermotor mit einer
Zahnstange;
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3 eine
schematisierte Ansicht eines Freikolben-Boxermotors mit zwei Zahnstangen
und einem Zwischenzahnrad;
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4 eine
schematisierte Detailansicht einer weiteren Zahnstangen/Zahnradanordnung
eines Freikolben-Boxermotors nach der Erfindung;
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5 eine
schematisierte Detailansicht eines Endbereiches eines Zylinders;
und
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6 eine
schematisierte Darstellung der Kraftübertragung im Vergleich von
Pleuel/Kurbelwelle und Freikolben/Zahnrad.
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In
der 1 ist eine asynchron betriebene Stromgeneratoranlage 1 mit
Langhub-Freikolbenmotoren
nach der Erfindung dargestellt. Gezeigt ist in schematisierter Darstellung
eine Mehrzylinder-Stromgeneratoranlage 1 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.
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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 5 erforderliche Hilfsaggregate, wie
Zündeinrichtungen
und Steuerungen, Pumpen, Befestigungselemente, Wärme- und/oder Schallisolierungen
etc. sind in den Figuren nicht dargestellt.
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Der
asynchrone Generator 2 besitzt Klemmen 16, hier
schematisch als Klemmkasten gezeichnet, an denen die elektrische
Leistung abnehmbar ist.
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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.
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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.
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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.
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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 20 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.
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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.
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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.
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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 15 mit
der Antriebswelle 14 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 18 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.
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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 47 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 47 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 13 erfährt somit
lediglich ein Drehmoment vom ersten Zahnrad 47 in der gewünschten
Drehrichtung gemäß Pfeil
C.
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Bei
Bewegung des Freikolbens 22 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 47 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.
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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 41, 41a, 52 zur Drehrichtungsumkehr
und das zweite Zahnrad 48 mit dem zugehörigen zweiten Freilauf 46.
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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.
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Bei
der Bauform nach 3 kämmt die Zahnstange 32 des
Freikolbens 22 mit einem Zwischenzahnrad 71, das über eine
Welle 72 und Lager 72a 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,
so dass sie auf am Gehäuse 11 gelagerten
Führungszapfen 78 mit
Wälzlagern 79 eine
Längsverschiebung
des Zahnstangenblocks 74 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 dem Zahnstangenabschnitt 76. Die Blockierrichtung 54 des
ersten Freilaufs 83 ist derart, dass auf die Abtriebswelle 82 mit
dem ersten Zahnstangen-Zahnrad 80 nur dann ein Drehmoment übertragen
wird, wenn der Zahnstangenblock 74 in die durch den Pfeil
A dargestellte Richtung verschoben wird.
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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.
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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.
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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.
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In 4 ist
eine Teilansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Freikolbenmotors 5 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.
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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 76 entsprechend lang ausgebildet
sein muss. Bei seitlich versetzten Zahnstangen-Zahnrädern 80, 81 kann
an Stelle der gezeigten parallel angeordneten zwei Zahnstangenabschnitte 76 und 76a selbstverständlich eine
einzige hinreichend breite Zahnstange 76 eingesetzt werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 4 ist auf der Abtriebswelle 82 des Freikolbenmotors 5 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 80 kämmt mit dem einen Zahnstangenabschnitt 76.
Die Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 ist
derart, dass bei Bewegung des Freikolbens 22 und damit
des Zahnstangenabschnitts 76 in Richtung von Pfeil A der
erste Freilauf 83 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 Weile 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.
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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 22 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 22,
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.
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Die 5 zeigt
in schematischer, vereinfachter Darstellung den Endbereich eines
Zylinders 20, der mit einem Zylinderkopfdeckel 35 abgeschlossen
ist. Der Zylinder 20 ist hier, wie auch in den 2 und 3,
teilweise geschnitten dargestellt. Der Zylinderkopfdeckel 35 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 35 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 1 erzielbar.
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Die 6 dient
zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen der Drehmomentübertragung bei
einem Motor mit Kurbelwelle und einem Freikolbenmotor 5 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.
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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 23 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.
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In 6c ist der Verlauf des übertragenen Drehmoments
für einen
Motor 110 mit Kurbelwelle 111 und für einen
Freikolbenmotor 5 nach der Erfindung schematisiert dargestellt.
Horizontal ist der Drehwinkel für
eine volle Umdrehung der angetriebenen Welle 13 aufgetragen
und senkrecht dazu das jeweilig übertragene
Drehmoment in relativen, beliebigen Einheiten. Die Kurve A für den Motor 110 mit
Kurbelwelle 111 ändert
sich periodisch zwischen dem Wert „Null" und einem Maximalwert. Für den Freikolbenmotor 5 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
- 17a
- Zahnrad
- 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,
49a
- Welle
- 51
- Drehrichtung
- 52
- Umkehrzahnrad
- 53
- Freilaufrichtung
- 54
- Blockierrichtung
- 71
- Zwischenzahnrad
- 72
- Welle
- 72a
- Lager
- 73
- 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,
92a
- Lager
- 93
- Mehrkant
- 94
- Federelement
- 110
- Motor
- 111
- Kurbelwelle
- 112
- Pleuelstange
- 115
- Totpunkt
- 116
- Radius