DE3518981A1

DE3518981A1 - Antriebsaggregat

Info

Publication number: DE3518981A1
Application number: DE19853518981
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Gastberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-05-28
Filing date: 1985-05-25
Publication date: 1985-11-28
Also published as: DE3518981C2

Description

Antriebsaggregat
Die Erfindung betrifft ein Antriebsaggregat, bestehend aus zwei gegeneinander arbeitenden Hubkolbenmotoren und einem zwischen diesen und der Abtriebswelle angeordneten Triebwerk mit einem kinetischen Energiespeicher.
Dieses Antriebsaggregat soll zum Antrieb von Landfahrzeugen, Fluggeräten, Schiffen oder stationären Anlagen verwendet werden. Es sind Hubkolbenmotoren bekannt, die ohne Kurbelwelle arbeiten. Dabei ist der bewegliche Kolben mit einer Zahnstange verbunden, die starr geführt und über ein Antriebsritzel einer Freilaufkupplung zugeordnet ist. Die Arbeitstakte der Kolben werden elektronisch über eine Mikroprozessoranlage gesteuert. Nachteilig wirkt sich hier die aufwendige Sensorentechnik des Mikroprozessors und die umfangreiche Regeltechnik aus, die zur Steuerung des veränderlichen Hubes, der Kraftstoffzumessung und der Zündverstellung benötigt wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsaggregat mit gegenüber herkömmlichen Diesel- oder Ottomotoren höherem Wirkungsgrad und geringerem Leistungsgewicht zu schaffen und das zudem einfach und stufenlos zu steuern ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antriebsaggregat gelöst, bei dem - der Energiespeicher aus wenigstens zwei um eine gemeinsame Achse mit veränderlichem Radius rotierend angetriebenen Massen besteht, die mit den Kolbenstangen verbunden sind, und deren Bahnradius von der Oszillationsbewegung der Hubkolben bzw. deren Kolbenstangen, im Sinne einer Verringerung während des Expansionstaktes und einer Vergrößerung beim Verdichtungstakt, gesteuert wird, - je ein jeder Kolbenstange zugeordnetes Obertragungsgestänge, das über eine Kurve die Oszillationsbewegung der Kolben stange in Abhängigkeit vom Kolbenweg in eine taktgleiche Abtriebsbewegung umsetzt, vorgesehen ist, wobei die Abtriebsbewegungen der beiden Ubertragungsgestänge einander entgegengerichtet sind, - der Energiespeicher die beim Expansionstakt freiwerdende Energie speichert und beim Verdichtungstakt teilweise an das Obertragungsgestänge, teilweise an den Hubkolbenmotor zur Gaskompression abgibt, - das Obertragungsgestänge über eine Schaltkupplung die Abtriebswelle antreibt.
Das Antriebsaggregat besteht aus zwei gegenüberliegenden Hubkolbenmotoren, die nach den herkömmlichen Verbrennungsprozessen, d. h. sowohl dem Zweitakt- als auch dem Viertaktverfahren und dem Otto- oder Dieselprozeß arbeiten. Zwischen diesen Hubkolbenmotoren ist ein rotierender kinetischer Energiespeicher angeordnet, der die durch die Expansion der Verbrennungsgase freigewordene Energie speichert. Dieser Energiespeicher besteht aus zwei, um eine Drehachse rotierenden Massen, deren Drehradius sich in Abhängigkeit vom Energieinhalt verändert. Während der Gasexpansion in den Zylindern geben die Kolben bzw. die Kolbenstangen die mechanische und kinetische Energie vollständig an den Energiespeicher ab, bis sie zum Stillstand kommen. Dabei verkürzt sich der Bahnradius der umlaufenden Massen des Energiespeichers, wodurch sich deren Drehgeschwindigkeit erhöht. Diese Drehgeschwindigkeitszunahme beruht auf der Vergrößerung der inneren Energie des Energiespeichers, aufgrund der Obernahme der Energie des expandierenden Gases. Nach dem Expansionstakt entweicht das Arbeitsgas-aus dem Zylinder, und der Energiespeicher bzw.
die rotierenden Massen erfahren nach Stillstand der Kolbenstange keine Gegenkraft mehr. Die Massen des Energiespeichers streben nun aufgrund der erhöhten Fliehkraft radial nach außen, wobei sie über die Obertragungsmittelsowohl den Abtriebs- als auch den später einsetzenden Verdichtungsprozeß einleiten. Der Abtriebsprozeß erfolgt über an den Kolbenstangen angebrachte keilförmige Führungsflächen, die mit zwischengeschalteten Rollen auf das Ubertragungsgestänge wirken. Dieses Obertragungsgestänge treibt nun über eine Schaltkupplung die Abtriebswelle an. Diesem Abtriebsprozeß folgt nun der Verdichtungsprozeß, wobei die Restenergie des Energiespeichers hierfür a-ufgewandt wird. Dieser gibt für den Verdichtungsprozeß stets den gleichen vorbestimmten Energiebetrag ab, so daß immer das gewünschte Verdichtungsverhältnis erreicht wird. Dieser vorbestimmte Energiebetrag wird dadurch erreicht, daß die Kurve, die die Oszillationsbewegung der Kolbenstange in Abhängigkeit vom Kolbenweg in die Abtriebsbewegung umsetzt, so ausgebildet ist, daß bei Erreichen dieses bestimmten Restenergiebetrags die Bewegung des Obertragungsgestänges von der Bewegung der Kolbenstange abgekoppeltwird.
Zudem ist die Kurve so ausgebildet, daß kurz vor dem Abkoppel punkt die Geschwindigkeit der Kolben sehr gering ist, so daß ihre kinetische Energie nahezu verschwindet.
Die Trennung in Abtriebs- und Verdichtungsprozeß hat den Vorteil, daß für die Verdichtung stets der gleiche Energiebetrag verwendet wird. Dadurch kann jedoch der Hubkolbenmotor so eingestellt werden, daß er entweder mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad bzw. im Bereich des geringsten Schadstoffausstoßes arbeitet. Ein Anstoßen des Kolbenbodens am Zylinderkopf wird dadurch ebenfalls ausgeschlossen, da der Kolben nur mit einer bestimmten Verdichtungsenergie beaufschlagt wird und bei Beginn dieser Beaufschlagung selbst nahezu keine kinetische Energie besitzt.
Ein weiterer Vorteil ist die rasche Expansion nach der Zündung, da der Kolben in diesem Augenblick nur mit dem Energiespeicher und nicht mit dem Abtrieb verbunden ist.
Dadurch legen die Kolben die Anfangsstrecke des Expansionsweges bei vergleichbarer Taktfrequenz wesentlich schneller zurück als die Kolben kurbelwellengesteuerter Motoren.
Der Anteil der Wärme, die in dieser Phase ohne Arbeit zu leisten in das Kühlwasser entweicht, wird dadurch kleiner, was den Wirkungsgrad verbessert.
Ein weiterer Vorteil ist, daß nach Beendigung des Expansionsvorgangs und Stillstand der Kolben diese festgehalten werden können, wobei sich der Energiespeicher weiterdreht, wobei in dieser Leerlaufstellung weder Brennstoff verbraucht, nach Schadstoffe produziert werden.
Das Antriebsaggregat sieht vor, daß zwischen der Kolbenstange jedes Hubkolbenmotors und den Massen des Energiespeichers Obertragungsmittel vorgesehen sind. Diese Obertragungsmittel sind sowohl mit den Kolbenstangen, als auch mit den Massen des Energiespeichers verbunden und bewirken entsprechend der Bewegung der Kolbenstangen eine Änderung des Rotationsradiusses. Dabei sind die Obertragungsmittel derart angebracht, daß sich beim Expansionstakt der Rotationsradius verringert und beim Verdichtungstakt vergrößert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Obertragungsmittel als Hebelgestänge ausgebildet. Dieses Hebelgestänge ermöglicht die Zurücklegung der Anfangsstrecke des Expansionsweges in einer sehr kurzen Zeit, da aufgrund der vorteilhaften Hebelanordnung die von den umlaufenden Massen herrührende Gegenkraft auf die Kolben sehr klein ist.
Eine weitere Ausbildungsform sieht vor, daß die Obertragungsmittel als keilförmige Führungsflächen ausgebildet sind.
Diese keilförmigen Führungsflächen haben. den Vorteil, daß die radiale Auslenkung der umlaufenden Massen durch eine spezielle Bahnkurve der Führungsfläche gezielt beeinflußt werden kann. Mit Vorteil wird die im wesentlichen senkrecht zur Oszillationsbewegung der Kolben gerichtete Bewegung der Obertragungsgestänge über keilförmige Führungsflächen und zwischengeschaltete Rollen in die entsprechend zur Oszillationsbewegung verlaufende Abtriebsbewegung umgewandelt. Diese Anderung der Bewegungsrichtung kann über diese keilförmigen Führungsflächen gesteuert werden, indem die Bahn dieser Führungsflächen entsprechend dem gewünschten Bewegungsablauf ausgebildet ist. Bei progressiv ausgebildeter Führungsfläche wird das Obertragungsgestänge stark beschleunigt, was ein frühzeitiges Schalten der Schaltkupplung bewirkt.
Vorteilhaft weist die keilförmige Führungsfläche zwei Bereiche, einen die Bewegung der Kolbenstange in die Abtriebsbewegung umsetzenden und einen die Abtriebsbewegung nicht beeinflussenden Bereich auf. Die Aufteilung der Führungsfläche in zwei Bereich bewirkt eine Aufteilung der Energieabgabe des Energiespeichers in zwei Phasen, nämlich eine Abtriebs- und eine Verdichtungsphase. Bei der Abtriebsphase setzt die Führungsfläche die Bewegung der Kolbenstange in die Abtriebsbewegung des Ubertragungsgestänges um, wobei in der Verdichtungsphase der Kolben über die Kolbenstange bewegt wird, jedoch das Obertragungsgestänge von der Kolbenstange und somit vom Energiespeicher keine Kraft erfährt.
Mit Vorteil weist das Übertragungsgestänge eine Verstellvorrichtung zur Steuerung der Abtriebsbewegung auf. Diese Verstellvorrichtung bewirkt, daß mit ihr das Drehmoment der Abtriebswelle verändert werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Verstellvorrichtung als ein in der Länge variables Obertragungsgestänge ausgebildet. Mit der Länge des Obertragungsgestänges ist der Hebelarm definiert, mit dem die Schaltkupplung in Drehbewegung versetzt wird. Bei Veränderung dieses Hebelarms ändert sich sowohl das Drehmoment,mit dem die Schaltkupplung bewegt wird, als auch der überstrichene Drehwinkel,in dem dieses Drehmoment wirkt. Eine Steuerung dieser Schaltkupplung und somit der Abtriebswelle kann demnach einfach über ein Verstellen der Länge des Obertragungsgestänges vorgenommen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Verstellvorrichtung als in der Schräge variable keilförmige Führungsflächen ausgebildet ist. Mit diesen keilförmigen Führungsflächen, die eine Umlenkung der Bewegungsrichtung bewirken, kann die Bewegung in die eine Richtung dadurch verändert werden, daß die Schräge der keilförmigen Führungsfläche variiert wird. Eine veränderte Abtriebsbewegung bewirkt jedoch, daß die Schaltkupplung mit veränderter Kraft und mit einem veränderten Beaufschlagungswinkel betätigt wird. Eine Steuerung der Abtriebswelle läßt sich somit einfach durch Variation der Schräge der keilförmigen Führungsflächen realisieren.
Mit Vorteil weist der Energiespeicher Lagersegmente zur Führung und Lagerung der Massen auf. Diese umlaufenden Massen sind im Energiespeicher über Lagersegmente derart geführt, daß sie lediglich radiale Bewegungen ausführen können. Dabei übernehmen diese Lagersegmente nicht nur die Aufgabe der Führung, sondern auch die Aufgabe der Lagerung, wobei sich die Lagersegmente in speziell dafür ausgebildeten Haltern abstützen.
Weiterhin ist vorgesehen, daß die Laqersegmente als sich abrollende Kreissegmente ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, daß von den umlaufenden Massen nur die Rollreibung dieser Lagersegmente überwunden werden muß. Das Abrollen dieser Lagersegmente erfolgt auf speziell dafür ausgebildeten, die Lagersegmente haltenden und posit-ionierenden.Stützflächen.
Mit Vorteil ist die Schaltkupplung mit vom Obertragungsgestänge zu betätigenden Nocken versehen. Diese Nocken werden taktweise vom Obertragungsgestänge beaufschlagt und wirken somit als Antrieb für die Schaltkupplung. Vorteilhaft sind die Nocken in Form einer archimedischen Spirale o.dgl.ausgebildet.
Diese spezielle Ausbildungsform erlaubt die Überführung einer gleichmäßigen Linearbewegung in eine gleichmäßige Kreisbewegung. Zudem erlaubt eine spiralförmig ausgebildete Nocke eine Beaufschlagung dieser über einen Winkelbereich von mehr als 270 Mit Vorteil ist die Schaltkupplung aus einem koaxial mit dem Nocken verbundenen Freilauf, einem Obersetzungsgetriebe und einem auf der Abtriebswelle angeordneten Feder-Masse-System aufgebaut. Der mit den Nocken verbundene Freilauf schaltet bei Erreichen der Drehzahl der Schaltkupplung und stellt eine kraftschlüssige Verbindung her. Die nun über die Nocken und den Freilauf auf das Schaltgetriebe wirkende Abtriebskraft treibt über das Feder-Masse-System die Abtriebswelle. Vorteilhaft weist das Feder-Masse-System eine Schwungmasse, ein Schwingungselement, z. B. ein Federelement und einen Drehmomentbegrenzer auf. Das Schwingungselement, das als kinetisches Massenschwingungselement o. dgl., in diesem Fall als Federelement, ausgebildet ist, ist konstruktiv so ausgelegt, daß die sich mit der Schwungmasse aus der Eigenfrequenz ergebende Eigenschwingungsdauer dieses Schwingungssvstems um einen Faktor größer ist als die Zeit für einen neuen Arbeitstakt. Mit dieser konstruktiven Voraussetzung tritt der Effekt ein, daß sich das auf Drehung beanspruchte Federelement zwischen den Takten nur sehr geringfügig entspannt, so daß sich das Abtriebsmoment an der Abtriebswelle nur geringfügig erniedrigt. Ferner ist mit dem Drehmomentbegrenzer sichergestellt, daß ein maximal zulässiges Drehmoment des Federelementes nicht überschritten wird. Das Obersetzungsgetriebe vermindert die Baugröße des Schwingungssystems und ist zwischen Freilauf und Feder-Masse-System angeordnet. Das Obersetzungsgetriebe bewirkt eine Erhöhung der Drehzahl der Abtriebswelle und somit eine Verringerung des zu übertragenden Drehmoments.
Vorteilhaft ist das Federelement aus einer Spiral- bzw.
Schraubenfeder aufgebaut und ist dem Feder-Masse-System ein Dämpfungselement zugeordnet. Ober die spezielle Ausführung des Federelementes kann eine gewünschte Schwingungsdauer des Feder-Masse-Systems vorgegeben und das Federelement an die zu übertragenden Drehmomente angepaßt werden. Ein Dämpfungselement dämpft unzulässig große Drehschwingungen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zur Rückführung des Obertragungsgestänges während des Expansionstaktes der Hubkolbenmotoren eine über ein Hebelgestänge geführte Kulisse vorgesehen. Diese Kulisse bewirkt, daß das Obertragungsgestänge, die Kolbenstangen und die sich an den Führungsflächen abwälzenden Rollen einander stets anliegen. Ein weiterer Vorteil ist, daß dadurch unerwünschte Schwingungen des Obertragungsgestänges vermieden, bzw. stark reduziert werden. Die Energie des zurücklaufenden Obertragungsgestänges wird zudem über die Kulisse und das Hebelgestänge in das Kolbengestänge übertragen und erneut im Energiespeicher gespeichert, woraus eine Wirkungsgradverbesserung resultiert.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß das Obertragungsgestänge mit einer Obersetzungsvorrichtung versehen ist. Diese Obersetzungsvorrichtung bewirkt daß die anfängliche Bewegung des Obertragungsgestänges in eine Abtriebsbewegung mit relativ hoher Geschwindigkeit übersetzt wird, wobei mit zunehmender Wegstrecke die Geschwindigkeit der Abtriebsbewegung bis zum Obersetzungsverhältnis 1 abnimmt, d. h. eine negative Beschleunigung aufweist. Dies hat den Vorteil, daß der Freilauf sehr früh, jedoch mit kleinem Drehmoment schaltet und dadurch ein Schaltruck weitgehend vermieden wird. Ebenso wird dadurch die Drucklast im Obertragungsgestänge allmählich aufgebaut und somit unerwünschte Schwingungen vermieden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus aer nachfolgenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einzeln erläutert sind.
Dabei zeigen: Fig. 1 Prinzipschema eines Antriebsaggregats, Fig. 2 Prinzipschema eines Antriebsaggregats in anderer Ausführungsform, Fig. 3 Prinzipschema einer Schaltkupplung, Fig. 3a Seitenansicht einer keilförmigen Führungsfläche des Obertragungsgestänges, Fig. 4 Prinzipschema eines Energiespeichers mit ausgefahrenen Massen, Fig. 5 Prinzipschema eines Energiespeichers mit eingefahrenen Massen Fig. 6 Perspektivische Ansicht eines Energiespeichers Fig. 7 Perspektivische Ansicht einer Halterung der Massen Fig. 8 Perspektivische Ansicht einer Halterung mit Gestänge Fig. 9 Seitenansicht des Energiespeichers mit Massen und Lagcrsegalcrlll\nn Fig. 10 Schnitt X-X der Figur 9 Fig. 11 Seitenansicht eines Lagersegments mit Stützfläche Fig. 12 Prinzipschema eines kulissengeführten Obertragungsgestänges Fig. 13 Prinzipschema einer Obersetzungsvorrichtung für das Obertragungsgestänge.
Figur 1 zeigt ein Antriebsaggregat 1 mit zwei gegeneinander arbeitenden Hubkolbenmotoren 2 mit Kolbenstangen 3 und einem zwischen diesen Hubkolbenmotoren angeordneten kinetischen Energiespeicher 4. Der kinetische Energiespeicher besteht aus zwei rotierenden Massen 5, die über Obertragungsmittel 6 mit den Kolbenstangen 3 verbunden sind. Ober eine der Kolbenstange 3 zugeordnete Kurve 7 und zwischengeschalteten Rollen 8 wird die Oszillationsbewegung der Kolbenstange 3 in Abhängigkeit vom Kolbenweg in eine taktgleiche Abtriebsbewegung des Obertragungsgestänges 9 umgewandelt. Das mit einer Verstellvorrichtung 10 versehene Obertragungsgestänge 9 ist mit einer Schaltkupplung 11 verbunden.
Fig. 2 zeigt ebenfalls ein Antriebsaggregat 1 mit Hubkolbenmotoren 2 und zugeordneten Kolbenstangen 3 mit zwischengeschaltetem Energiespeicher 4. Die oszillierende Bewegung der Kolbenstange 3 wird ebenfalls über eine Kurve 7 unter Zwischenschaltung von Rollen 8 in eine taktgleiche Bewegung des Obertragungsgestänges 9 umgewandelt, das schließlich die Schaltkupplung 11 antreibt.
Figur 2 zeigt weiterhin einen Antriebsmotor 12, der über einen Riementrieb 13 den Energiespeicher 4 in Drehbewegung versetzt. Zudem ist das Lager 14 erkennbar, das die Kolbenstange 3 in einen mit dem Hubkolbenmotor 2 verbundenen Teil 15 und einen dem Energiespeicher 4 zugeordneten und mit ihm umlaufenden Teil 16 trennt. Die keilartigen Führungsflächen 17 mit den Kurven 7 und den zwischengeschalteten Rollen 8 bewegen die beiden Gestängeteile 18, 19 des Obertragungsgestänges 9 entsprechend der Bewegung der Kolbenstange 3 auseinander. Dabei bewegen sich das Gestängeteil 19 und ein weiteres mit dem Gestängeteil 18 verbundenes Gestängeteil 20 aufeinander zu, wodurch ein zwischen den Gestängeteilen 19, 20 angeordnetes keilförmig ausgebildetes Teil 21 über Führungsflächen 22 und zwischengeschaltete Rollen 23 quer zum Gestänge bewegt wird. Diese beiden gegeneinander arbeitenden keilförmigen Gestängeteile 21 treiben über eine zwischengeschaltete Abrollvorrichtung 24 die Nocken 25 der Schaltkupplung 11 an.
In Fig. 3 ist die Schaltkupplung 11 dargestellt, wobei die Nocken 25 koaxial mit dem Freilauf 26 verbunden sind. Dieser Freilauf 26 treibt ein Übersetzungsgetriebe 27 an, welches wiederum mit einem Feder-Masse-System 28 verbunden ist.
Dieses Feder-Masse-System 28 ist aus einer Schwungmasse 29, einem Federelement 30 und einem Drehmomentbegrenzer 31 aufgebaut. Der Abtrieb des über die Nocken 25 aufgebrachten Drehmoments erfolgt über die Abtriebswelle 47.
Fig. 3a zeigt die keilförmige Führungsfläche 17 des Obertragungsgestänges 9, die als Kurve 7 ausgebildet ist. Diese Kurve ist derart geformt, daß bei der Übertragung der oszillierenden Bewegung der Kolbenstangen 3 in die taktgleiche Bewegung des Übertragungsgestänges 9 die Geschwindigkeit der Kolbenstange am Anfang einer Taktbewegung schnell zunimmt und zum Ende einer Taktbewegung fast null wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Kurve 7 zuerst progressiv gekrümmt ausgebildet ist und schließlich nach Erreichen der maximalen Steigung in einen waagerechten Bereich übergeht.
Die Figuren 4 bis 8 zeigen das Funktionsprinzip des kinetischen Energiespeichers 4. Das vordere Ende 32 der von den Hubkolbenmotoren bewegten Kolbenstangen ist ein Teil der Übertragungsmittel 6, über welche die Massen 5 des Energiespeichers 4 bewegt werden. Beim Einfahren der keilförmig ausgebildeten vorderen Enden 32 der Kolbenstangen 3 wälzen Rollen 33 auf deren Führungsfläche 34 ab, wobei die mit Führungsflächen 35 ausgebildeten Halterungen 36 radial nach außen bewegt werden. Die mit Gestänge 37 mit diesen Halterungen 36 verbundenen Massen 5 werden somit radial nach innen bewegt, wodurch sich die Rotationsgeschwindigkeit des Energiespeichers 4 vergrößert.
Figur 5 zeigt einen Energiespeicher 4 in einer Stellung, bei der die Massen 5 den kleinsten Bahnradius besitzen, das heißt die Halterungen 36 die maximale Auslenkung aufweisen.
Diese Extremstellung entspricht dem Umkehrpunkt des Kolbens zwischen Expansions- und Kompressionstakt.
Figur 6 zeigt den Energiespeicher 4 mit den beiden umlaufenden Massen 5 und den axial verschieblichen Kolbenstangen 3 und ihren mit einer Führungsfläche 34 ausgebildeten vorderen Enden 32. Bei der axialen Bewegung gemäß Pfeil 38 wälzen die Rollen 33 auf den Führungsflächen 34 ab und bewegen die Halterungen 36 radial nach außen, wodurch die Massen 5, die über Gestänge 37 mit den Halterungen 36 verbunden sind, radial nach innen bewegt werden. Das vordere Ende 32 einer Kolbenstange 3 ist gespalten ausgeführt, so daß sich die.vorderen Enden 32 bei der axialen Bewegung durchdringen können.
Die Figuren 7 und 8 zeigen die Halterungen 36 mit dem Gestänge 37, an dem die Massen 5 festgelegt sind.
Figur 9 zeigt schematisch die seitliche Führung und Lagerung der Massen 5 des Energiespeichers 4 über Lagersegmente 38, die sich auf Stützflächen 39 abrollen.
Figur 10 zeigt die seitliche Lagerung der Halterungen 36, die ebenfalls über Lagersegmente 38 erfolgt, welche sich an Stützflächen 39 der Halterungen 36 und des Gehäuses 40 des Energiespeichers 4 abstützen und abrollen. Seitlich neben dem Gehäuse 40 sind die Lager 41 des Energiespeichers 4 angeordnet. wobei eine Seite zusätzlich mit einer Riemenscheibe 42 und einer drehwinkelabhängig gedämpften Spiralfeder mit Freilauf 43 für den Antrieb des Energiespeichers 4 versehen ist. Der sich mit dem Energiespeicher 4 drehende Kolbenstangenteil 16 ist an seinem, dem zugehörigen Kolbenmotor zugeordneten Ende mit einem Lager 14 versehen.
Figur 11 zeigt ein Lagersegment 38, das sich auf seiner Stützfläche 39 abwälzt. Weiterhin zeigt die Figur; daß das Lagersegment 38 als Kreissegment des Kreises 44 ausgebildet ist und an seinen Enden mit Nasen 45 versehen ist. Das Kreissegment 38 wird über die Nasen 45 und den seitlich neben den Stützflächen 39 angebrachten Segmenthalter 46 sicher auf der Stützfläche 39 geführt, in dem die Nasen 45 an den Segmenthaltern 46 entlanggleiten.
Das in Figur 12 gezeigte Obertragungsgestänge 9 wird über eine Kulisse 48 geführt. Der Antrieb der Kulisse 48 erfolgt über ein Hebelgestänge 49, das mit dem einen Ende 50 an der Kolbenstange 3 festgelegt ist, und dessen anderes Ende 51 dem ruhenden Antriebsgehäuse zugeordnet ist.
Der Angriffspunkt 52 für die Kulisse 48 befindet sich exakt zwischen den beiden Enden 50, 51 des Hebelgestänges 49.
Dadurch wird erreicht, daß sich die Kulisse 49 mit halber Kolbenstangen-Geschwindigkeit bewegt. Die Führung des Obertragungsgestänges 9 erfolgt über eine Kulissenbahn 53, die entsprechend der Kurve 7 ausgebildet ist. Die Rolle 8 wird ebenfalls parallel zur Kolbenstange 3 geführt. Das keilförmig ausgebildete Gestängeteil 21 ist mit einem Federelement 54 versehen, das ebenfalls die Rückführung unterstützt. Weiterhin weist die Kulisse 48 Verstellvorrichtungen 55, 56 auf, die zur exakten Einstellung der Führungsfläche 17 des Obertragungsgestänges 9 und der darauf abwälzenden Rolle 8 dienen.
Die in Figur 13 dargestellte Obersetzungsvorrichtung 57 besteht aus zwei am Obertragungsgestänge 9 festgelegten Stempeln 58, 59, die auf zwei seitlich angebrachte Nasen 60, 61 einwirken. Bei der Bewegung des Obertragungsgestänges 9 gemäß Pfeil 62 drückt der Stempel 58 über Rollen 63 auf die Nasen 60, 61, die wiederum der Bewegung folgen, gleichzeitig jedoch infolge der sich aufstellenden Kippelemente 64 eine Querbewegung ausführen. Aufgrund dieser Diagonal bewegung der Nasen 60, 61 beschleunigt der Stempel 59 gemäß Pfeil 65. Das Obersetzungsverhältnis nimmt mit zunehmender Wegstrecke bis zum Wert 1 ab, d. h.
die Beschleunigung des Stempels 59 ist negativ. Außerdem sieht das Obertragungsgestänge ein Dämpfungselement 66 vor, das eventuell auftretende Lastspitzen auffängt.
Anhand der Figuren 2 und 3 wird nachfolgend ein ArDeltstakt beschrieben, wobei vorausgesetzt wird, daß der Energiespeicher 4 über den Antriebsmotor 12 und Riementrieb 13 in Rotationsbewegung versetzt worden ist: Die Zündung des Brennstoffs in den Hubkolbenmotoren 2 und die folgende Expansion des Gases bewegt die Kolben mit Kolbenstangen 3 in Richtung des Energiespeichers 4. Dabei speichert der Energiespeicher 4 die gesamte von dem expandierenden Gas abgegebene Energie, indem der Bahnradius der Massen 5 des Energiespeichers 4 verkürzt wird und somit die Umdrehungsgeschwindigkeit des Energi.espeichers 4 zunimmt. Nach Erreichen des Gleichgewichts, das heißt nach Abgabe der maximalen Expansionsenergie bewegen sich die Kolben und die Kolbenstangen 3 in umgekehrter Richtung, das heißt in Richtung auf die Hubkolbenmotoren 2. Dabei wird diese Bewegung über die keilförmigen Führungsflächen 17 und den zwischengeschalteten Rollen 8 auf das Übertragungsgestänge 9 übertragen, welches wiederum die Bewegung taktgleich über keilförmige Führungsflächen 22 und zwischengeschaltete Rollen 23 auf die Abrollvorrichtung 24 überträgt. Diese Abrollvorrichtung 24 wirkt nun auf die Nocken 25 der Schaltkupplung 11, welche die Linearbewegung in eine Kreisbewegung übertragen. Da das Übertragungsgestänge 9 aufgrund der speziellen Ausbildung der Kurve 7 der keilförmigen Führungsflächen 17 (Figur 3a) eine beschleunigte Bewegung durchführt und die Nocken 25 die Form einer archimedischen Spirale aufweisen und somit die beschleunigte Linearbewegung des Übertragungsgestänges 9 in eine beschleunigte Drehbewegung übertragen und mit dem Freilauf 26 verbunden sind, führt auch dieser eine beschleunigte Drehbewegung aus. Sobald der Freilauf 26 die Umdrehungsgeschwindigkeit des Obersetzungsgetriebes 27 erreicht, schaltet dieser und stellt einen Kraftschluß zwischen den Nocken 25, Freilauf 26 und dem Übersetzungsgetriebe 27 her. Dieses Übersetzungsgetriebe 27, dessen Ausgangswelle mit dem Feder-Masse-System 28 verbunden ist, leitet nun die vom Freilauf 26 abgegebene Drehbewegung in die Schwungmasse 29 ein. Über die Schwungmasse 29, das Federe 1 ement 3() und den l)rehm()llletltbe(Jrenzer 31 wird die Drehbewegung auf die Abtriebswelle 47 übertragen.
Das Feder-Masse-System 28 ist dabei so ausgebildet, daß infolge der Trägheit der Schwungmasse 29 die taktweise vom Freilauf 26 abgegebenen Drehbewegungen als nahezu konstante Drehbewegung auf die Abtriebswelle 47 abgegeben wird.
Die Rückführung der Nocken 25 und des Freilaufs 26 am Ende der Abtriebsphase erfolgt über eine Spiralfeder, wodurch ebenfalls die Abrollvorrichtung 24 und das keilförmig ausgebildete Gestängeteil 21 in Ausgangsstellung zurückqebracht wird, unter eventueller Unterstützung durch die Feder 54. Der restliche Teil des Obertragungsgestänges 9 wird durch.die mit den Kolbenstangen 3 über das Hebelgestänge 49 verbundene Kulisse 48 in die Ausgangsstellung zurückgeführt. Die Führungsfläche 17 , 22 und die Rollen 8, 23 befinden sich somit bei Beginn des folgenden Arbeitstaktes in Ausgangsstellung.
Eine Computersimulation einer speziellen Ausführung zeigt, daß bei Verwendung von zwei Hubkolbenmotoren 2 mit jeweils 3 50 cm Hubraum und einem Hub von 9,6 cm bei einer Verdichtung von 100 bar eine Leistung von 58 PS erhalten wird.
Zudem wird ein maximales Drehmoment von 100 mkp bei einer Drehzahl von 100 U/min der Abtriebswelle 47 erhalten. Dabei beträgt die höchste Taktfrequenz 37,6 1/sec. untl die Iiiit;tlcrc! Kolbengeschwindigkeit 9,7 m/sec . Die l)rehzdhl dls k i neti <chen Energiespeichers beträgt 796 U/min bei einer maximalen radialen Auslenkung von 12 cm. Die rotierenden Massen 5 des Energiespeichers 4 haben dabei ein Gewicht von 2 x 13,2 kg.
Der Hub der Kolben beträgt 9,6 cm, wobei 2,9 cm für den Antrieb des Obertragungsgestänges 9 aufgewendet werden.
Die restlichen 6,7 cm werden zur Verdichtung des Arbeitsgases benötigt, wobei das Obertragungsgestänge 9 in Ruhe ist (spezielle Ausbildung der Kurve 7 der keilförmigen Führungsflächen 17 in Figur 3a).
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Antriebsaggregat,bestehend aus zwei gegeneinander arbeitenden Hubkolbenmotoren und einem zwischen diesen und der Abtriebswelle angeordneten Triebwerk mit einem kinetischen Energiespeicher, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - der Energiespeicher (4) aus wenigstens zwei um eine gemeinsame Achse mit veränderlichem Radius rotierend angetriebenen Massen (5) besteht, die mit den Kolbenstangen (3) verbunden sind, und deren Bahnradius von der Oszillationsbewegung der Hubkolben bzw. deren Kolbenstangen (3) im Sinne einer Verringerung während des Expansionstaktes und einer Vergrößerung beim Verdichtungsta.kt, gesteuert wird, - je ein jeder Kolbenstange (3) zugeordnetes Ubertragungsgestänge (9), das über eine Kurve (7) die OSzillationsbewegung der Kolbenstange (3) in Abhängigkeit vom Kolbenweg in eine taktgleiche Abtriebsbewegung umsetzt, vorgesehen ist, wobei die Abtriebsbewegungen der beiden Obertragungsgesttin(Je (9) einander entgegengerichtet sind, - der Energiespeicher (5) die beim Expansionstakt freiwerdende Energie speichert und beim Verdichtungstakt teilweise an die Übertragungsgestänge (9), teilweise an den Hubkolbenmotor (2) zur Gaskompression abgibt, die @bertragungsgestänge (9) über ei ne Schal tkupplung (11) die Abtriebswelle (47) antreiben.
2. Antriebsaggregat nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kolbenstange (3) jedes Hubkolbenmotors (2) und den Massen (5) des Energiespeichers (4) Obertragungsmittel (6) vorgesehen sind.
3. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsmittel (6) als Hebelgestänge ausgebildet sind.
4. Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel als keilförmige Führungsflächen (34, 35) ausgebildet sind.
5. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen senkrecht zur Oszillationsbewegung der Kolben gerichtete Bewegung der Obertragungsgestänge (9) über keilförmige Führungsflächen (17) und zwischengeschalteten Rollen (8) in die entsprechend zur Oszillationsbewegung verlaufende Abtriebsbewegung umgewandelt wird.
6. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmigen Führungsflächen (17) zwei Bereiche, einen die Bewegung der Kolbenstange (3) in die Abtriebsbewegung umsetzenden und einen die Abtriebsbewegung nicht beeinflussenden Bereich, aufweisen.
7. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsgestänge (9) eine Verstellvorrichtung (10) zur Steuerung der Abtriebsbewegung aufweist.
8. Antriebsaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (10) als ein in der Länge variables Obertragungsgestänge (9) ausgebildet ist.
9. Antriebsaggregat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (10) als in der Schräge variable keilförmige Führungsflächen (22) ausgebildet ist.
10. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (4) Lagersegmente (38) zur Führung und Lagerung der Massen (5) aufweist.
11. Antriebsaggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagersegmente (38) als sich abrollende Kreissegmente ausgebildet sind.
12. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung (11) mit vom Obertragungsgestänge (9) zu betätigenden Nocken (25) versehen ist.
13. Antriebsaggregat nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nocken (25) in Form einer archimedischen Spirale o. dgl. ausgebildet sind.
14. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung (11) aus einem koaxial mit den Nocken (25) verbundenen Freilauf (26), einem Obersetzungsgetriebe (27) und einem auf der Abtriebswelle (47) angeordneten Feder-Masse-System (28) aufgebaut ist.
15. Antriebsaggregat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder-Masse-System (28) eine Schwungmasse (29), ein Schwingungselement, z. B. ein Federelement (30) und einen Drehmomentbegrenzer (31) aufweist.
16. Antriebsaggregat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (30) aus einer Spiral-bzw. Schraubenfeder aufgebaut ist.
17. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feder-Masse-System (28) ein Dämpfungselement zugeordnet ist.
18. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung des Obertragungsgestänges (9) während des Expansionstaktes der Hubkolbenmotoren (2) eine über ein Hebelgestänge (49) geführte Kulisse vorgesehen ist.
19. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Obertragungsgestänge (9) mit einer Obersetzungsvorrichtung (57) versehen ist.