DE3718614A1 - Stromerzeugungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromerzeugungsvor­ richtung mit einem Verbrennungsmotor, der mindestens einen hin- und hergehenden Kolben aufweist, und mit einem von dem Verbrennungsmotor drehend antreibbaren Generator.

Bekannt sind Stromerzeugungsvorrichtungen, bei denen ein üblicher Verbrennungsmotor, insbesondere Otto-Motor oder Diesel-Motor, dessen hin- und hergehende Kolbenbewegung durch einen Kurbelbetrieb in eine Drehbewegung umgesetzt wird, einen rotatorischen Stromgenerator antreibt. Hier­ an wird insbesondere als nachteilig angesehen, daß, speziell bei größeren Leistungen, der Verbrennungsmotor sehr bauaufwendig wird und daß, speziell bei größerem Hub der Kolbenbewegung, der Kurbeltrieb sehr groß und damit schwer und teuer wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromer­ zeugungsvorrichtung der eingangs genannten Art ohne einen Kurbeltrieb im herkömmlichen Sinne und mit - bei Vergleich in etwa gleicher Leistungen - geringerem Bau­ aufwand zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Stromerzeugungsvorrich­ tung erfindungsgemäß durch einen Trieb, der hin- und her­ gehende Kolbenbewegung in oszillierende Drehbewegung einer Welle umsetzt, und durch eine Drehmoment-Übertragungsver­ bindung zwischen der Welle und dem Generator, durch die der Generator in wechselnder Drehrichtung oder inter­ mittierend in gleicher Drehrichtung drehend antreibbar ist, gekennzeichnet.

Es wird also bewußt und unter Inkaufnahme von Schwierig­ keiten, die weiter unten noch deutlicher ausgeführt wer­ den, auf eine Umsetzung der hin- und hergehenden Kolben­ bewegung in eine dauernd mit gleicher Drehrichtung ablau­ fende Wellendrehbewegung verzichtet. Vielmehr wird eine oszillierende Drehbewegung der Welle erzeugt, die den Ge­ nerator entweder in wechselnder Drehrichtung oder inter­ mittierend in gleicher Drehrichtung antreibt. Hierbei sind Komplikationen im Vergleich zum Stand der Technik in Kauf zu nehmen, da eine wechselnde Drehrichtung des Generators zu einer wiederkehrenden Drehbeschleunigung und Drehverzögerung des Generatorläufers führt oder eine Einrichtung vorgesehen sein muß, die von der oszillieren­ den Drehbewegung der Welle mindestens diejenigen Phasen der Drehbewegung der Welle herausgreift, die mit einer bestimmten Drehrichtung ablaufen, und während dieser Phasen den anzutreibenden Generator an die Welle ankoppelt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung ist der genannte Trieb mit mindestens einem flexiblen Band aufgebaut, das bei einer ersten Bewegungsrichtung des Kolbens von einem auf der genannten Welle befestigten Dreh­ teil abgespult und bei einer zweiten, entgegengesetzten Bewegung des Kolbens auf das Drehteil aufgespult wird. Hier liegt das Prinzipf zugrunde, die Kolbenstange und die Kurbelwelle eines herkömmlichen Kurbeltriebs durch ein Band mit entsprechend hoher Zugfestigkeit und ein Abspul- und Aufspul-Drehteil zu ersetzen. Gemessen an einer bestimmten, vom Kolben ausgeübten Längskraft hat ein zugbeanspruchtes Band einen wesentlich geringeren Querschnitt als ein wechselnd auf Zug und Druck bean­ spruchtes Pleuel. Außerdem ist kein wechselnd beanspruch­ tes Pleuellager vorhanden, das - abhängig von der Kolben­ längskraft - eine große Lagerfläche benötigt.

Bevorzugte Ausbildungen des Bandtriebs sind in den An­ sprüchen 3, 4 und 5 angegeben.

Die Ausbildung der Stromerzeugungsvorrichtung kann so sein, daß das Drehteil im unteren Totpunkt der Kolbenbe­ wegung seine Drehrichtung ändert, oder so sein, daß das Drehteil im unteren Totpunkt der Kolbenbewegung seine Dreh­ richtung beibehält, vgl. Ansprüche 6 und 7. Mit unterem Totpunkt ist die Endlage des Kolbens bei der Arbeitshub­ bewegung gemeint, wobei dieser untere Totpunkt je nach räumlicher Anordnung des Kolbens geometrisch unterhalb, oberhalb oder seitlich von dem entgegengesetzten, "oberen" Totpunkt sein kann.

Während bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor der Kur­ beltrieb die Zurückbewegung des Kolbens zum oberen Tot­ punkt leistet, ist bei der Erfindung, insbesondere bei der Ausführung mit Bandtrieb, hierfür vorzugsweise eine gesonder­ te Einrichtung oder eine gezielte Nutzung von primär zu einem anderen Zweck funktionell vorhandenen Gegenbenheiten vorgesehen. Als bevorzugte Möglichkeit kommen Zurückbe­ wegung des Kolbens mittels einer Feder, das Vorsehen eines gegensinnig auf das Drehteil bzw. die Welle arbeitenden, zweiten Kolbens und die Ausnutzung der Rotationsenergie des Dreh­ teils und/oder der Welle und/oder des Generators, insbesondere bei im unteren Totpunkt des Kolbens nicht in der Drehrichtung um­ kehrendem Drehteil, in Betracht. Wenn, wie bevorzugt, die Zurückbewegungs- oder Zurückholeinrichtung von der Welle bzw. dem Drehteil her ansetzt, wird die Zurückbe­ wegungskraft über das flexible Band auf den Kolben ausge­ übt.

Bevorzugt ist ein Verbrennungsmotor eingesetzt, der bei jeder Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Tot­ punkt einen Arbeitshub hat, beispielsweise ein Zweitakt­ motor oder ein weiter unten noch genauer angesprochener Motortyp nach dem Stirling-Prinzip, so daß das flexible Band bei jeder Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt unter Zugkraftbeaufschlagung vom Kolben her steht.

Die Ansprüche 12 bis 15 beziehen sich auf bevorzugte Ausbildungen des Bandtriebs, die auch bei der Beschrei­ bung bevorzugter Ausführungsbeispiele wieder aufgenommen werden.

Wenn man einen intermittierenden Antrieb des Generators in gleicher Drehrichtung verwirklichen will, kommen vor­ zugsweise ein Freilauf oder eine eine analoge Wirkung er­ zielende, intermittierend greifende und lüftende Kupplung in Frage. Diese Kupplung ist vorzugsweise elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch gesteuert. Es muß sich nicht um eine mechanische Kupplung handeln, sondern man kann auch beispielsweise Magnetkupplungen oder ähnliches vor­ sehen.

Im Sinne einer besseren Leistungsausnutzung der Vorrichtung kann für jede der beiden Drehrichtungen der Welle ein eigener, intermittierend angetriebener Generator vorge­ sehen sein, und zwar der eine für eine erste Drehrich­ tung und der andere für eine entgegengesetzte, zweite Dreh­ richtung.

Der Generator kann auch als Anlasser für den Verbrennungs­ motor ausgebildet sein. Hierbei kommt insbesondere ein oszillierender oder ein intermittierender Antrieb des Anlassers in Frage. Vorzugsweise ist der Generator mit einem Rotor mit möglichst geringem Gewicht bzw. Massenträgheitsmoment um seine Dreh­ achse ausgebildet, was für die Ausführungsvariante mit in wechselnder Drehrichtung angetriebenem Generator be­ sonders wesentlich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Verbrennungs­ motor mit mehreren Kolben aufweisen, von denen vorzugs­ weise jeder auf einen Bandtrieb arbeitet. Besonders günstig ist die Zusammenfassung von zwei entgegengesetzt arbeiten­ den Kolben, die auf eine gemeinsame Welle arbeiten.

Es ist ein besonders wesentliches Charakteristikum der er­ findungsgemäßen Vorrichtung, daß man den Verbrennungsmo­ tor problemlos besonders langhubig auslegen kann, insbeson­ dere mit einem Kolbenhub, der größer als das 1,5fache oder sogar größer als das 2,0fache des Kolbendurchmessers ist. Während bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren eine derart langhubige Auslegung zu Problemen führen kann, ins­ besondere hinsichtlich der Seitenkräfte der Kolben auf die Zylinderwände und hinsichtlich der maximalen Kolben­ geschwindigkeit bei höheren Drehzahlen und hinsichtlich des Bauvolumens und Bauaufwands des Kurbeltriebs, steigt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Bauaufwand mit Erhöhung des Kolbenhubs nur geringfügig an und treten die genannten Probleme prinzipbedingt nicht notwendigerweise auf. Die langhubige Bauweise führt insbesondere zu hoher Leistungsdichte und gutem Verbrennungsablauf. In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, daß bei her­ kömmlichen Verbrennungsmotoren infolge des Kurbeltriebs die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens über den Kolben­ hub im wesentlichen nach einer Sinusfunktion verläuft, während man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem wesentlich gleichmäßigeren Verlauf der Kolbengeschwindig­ keit über dem Kolbenhub kommt; hier kann man sogar durch elektronische Steuerung des Generators für einen während des Kolbenhubs variablen Antriebswiderstand des Generators sorgen und auf diese Weise einen - naturgemäß mit Ausnahme der beiden Totpunkte - mit möglichst gleichmäßigem Verlauf der Kolbengeschwindigkeit über dem Kolbenhub ablaufenden Bewegungsablauf erzwingen.

Besonders bevorzugt ist für die erfindungsgemäße Vorrich­ tung ein nach dem Zweitaktverfahren arbeitender Verbren­ nungsmotor, vorzugsweise mit Vorverdichtung auf der Kolben­ stangenseite des Kolbens. Derartige Verbrennungsmotoren haben neben dem weiter vor genannten Vorteil die Vorteile hoher Leistungsausbeute pro Gewichtseinheit und einfacher Bauweise.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die bevorzugte Möglichkeit, den oberen Totpunkt des Kolbens durch den Generator zu steuern, insbesondere in der Weise, daß das Ausmaß des Aufspulens des flexiblen Bands auf das Dreh­ teil gesteuert ist. Dies gibt die Möglichkeit, beispiels­ weise das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors zu ändern. In analoger Weise kann man auch den unteren Totpunkt des Kolbens steuern, so daß sich insgesamt die Möglichkeit der einfachen Hubraumveränderung des Motors ergibt.

Wenn gewünscht wird, das insbesondere in den Kolbentot­ punkten auftretende, elektrische "Leistungsloch" des Ge­ nerators mehr oder weniger auszugleichen, kann man vor­ zugsweise eine Vorrichtung mit mindestens zwei Zylindern und Kolben vorsehen, die zeitversetzt so arbeiten, daß die Totpunkte des einen Kolbens gerade zwischen den Tot­ punkten des anderen Kolbens liegen. Eine weitere, be­ vorzugte Möglichkeit besteht darin, zusätzlich einen Schwungradspeicher vorzusehen, der im Bereich des Lei­ stungslochs unter Verlangsamung Strom abgibt und, bei­ spielsweise mit etwa 20% der Vorrichtungsleistung, elektrisch angetrieben drehend gehalten wird.

Als besonders bevorzugte Anwendungsgebiete kommen der elektrische Antrieb von Schiffen, Kraftfahrzeugen, Nutz­ fahrzeugen und Lokomotiven in Betracht, wobei die er­ findungsgemäße Vorrichtung flach zwischen den Achsen liegend vorgesehen sein kann.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung nach dem Stirling-Prinzip handeln kann. Dabei kann der genannte Kolben den sog. Arbeits­ kolben des Stirling-Motors dargestellten und zusätzlich ein angetriebener Verdrängerkolben vorgesehen sein, der Arbeitssgasverschiebung von einem gekühlten Bereich zu einem beheizten Bereich und umgekehrt unter zusätzlichem Vorsehen eines Wärmegenerators leistet.

Es ist günstig, auf jeder Seite der kolbenstangenartigen Verlängerung des Kolbens ein Band vorzusehen und überdies diese beiden Bänder mindestens im wesentlichen in der Mittelebene der kolbenstangenartigen Verlängerung zu zwei Drehteilen auf der Welle laufen zu lassen. Auf diese Weise läßt sich die kolbenstangenartige Verlängerung möglichst genau mittig in Längsrichtung belasten und lassen sich seitliche Führungskräfte für den Kolben und die kolbenstangenartige Verlängerung weitestgehend ver­ meiden.

Das jeweilige Band hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm, was einen guten Kompromiß zwischen Längs­ krafttragvermögen und guter Aufspulbarkeit auf das Dreh­ teil darstellt, und eine durch die zu übertragende Längs­ kraft bestimmte Breite. Besonders bevorzugte Materialien für das Band sind Aramidfasern, Polyamidfasern, Kohle­ fasern, Stahlband, bandartige Zusammenfassung dünner Stahl­ seile oder entsprechender Metallgewebe.

In besonders bevorzugter Kombination weist die Stromer­ zeugungsvorrichtung ein Drehteil, das bei der Kolbenbe­ wegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und bei der anschließenden Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt durchgehend die gleiche Drehrichtung hat, eine Zugkraftübertragung zwischen dem Kolben und dem Drehteil mittels eines bzw. zwei flexiblen Bändern sowie ein Zurückholen des Kolbens zum oberen Totpunkt mittels der Rotationsenergie vorwiegend des Generator­ läufers auf, wobei der Verbrennungsmotor vorzugsweise ein langhubiger Zweitakt-Dieselmotor ist. Bei dieser Konzeption können sich Federn zum Zurückholen des Kolbens und ein Freilauf bzw. eine intermittierend greifende und lüftende Kupplung erübrigen. Günstig ist hierbei eine Gestaltung des Außenumfangs des Drehteils bzw. der beiden Drehteile derart, daß der Befestigungspunkt des Bandes nach innen zurückgesetzt ist und beidseitig der Übergang von diesem Befestigungspunkt zum Außenumfang des Drehteils gerundet ausgebildet ist, so daß ein Querschnitt in Ge­ stalt des oberen Bereich eines Herzes entsteht. Diese Gestaltung erlaubt ein Bandaufspulen in beiden Drehrich­ tungen und hält die Biegewechselbeanspruchungen des Bandes klein.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung nicht unbedingt einen Strom­ generator aufweisen muß, sondern daß die Drehbewegung der Welle auch als mechanische Leistungsquelle genutzt werden kann, insbesondere für irgendwelche Antriebsauf­ gaben und ggf. nach mechanischer Umsetzung. In diesem Fall müßte man von Kraft- oder Leistungserzeugungsvor­ richtung statt von Stromerzeugungsvorrichtung sprechen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die schematisiert zeichnerisch dargestellt sind, noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Stromerzeugungsvorrich­ tung in Richtung der Achse des Generators (Blick­ richtung I-I in Fig. 2), wobei ein Teil der Vor­ richtung weggeschnitten ist;

Fig. 2 eine andere Seitenansicht der Stromerzeugungsvor­ richtung von Fig. 1, und zwar gemäß Pfeil II in Fig. 1 und rechtwinklig zur Blickrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungs­ vorrichtung in einer Blickrichtung analog Fig. 2;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungs­ vorrichtung in einer Blickrichtung analog Fig. 1;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungs­ vorrichtung in einer Blickrichtung analog Fig. 1;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungs­ vorrichtung in Blickrichtung analog Fig. 1;

Fig. 7 und 8 abgewandelte Ausführungsformen eines Drehteils.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Stromerzeugungsvorrichtung 2 besteht im wesentlichen aus einem einzylindrigen Verbrennungs­ motor 4 ohne herkömmlichen Kurbeltrieb, einem Bandtrieb 6, der die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 8 des Verbrennungsmotors in oszillierende Drehbewegung einer Welle 10 umsetzt, einem Stromgenerator 12 und einer Dreh­ moment-Übertragungsverbindung 14 zwischen der Welle 10 und dem nicht gesondert gezeichneten Läufer des Generators 12.

An dem Kolben ist eine Kolbenstange 16 starr befestigt, die durch eine Führung 18 an einem Stirnende des Zylinders führt und am freien Ende T-förmig verbreitert ist. Die Welle 10 erstreckt sich, in der Blickrichtung der Fig. 2, rechtwinklig zur Kolbenstange 16 und oberhalb von dieser. Auf jeder Seite der Kolbenstange 16 ist auf der Welle 10 ein Drehteil 20 in Form einer zylindrischen Rolle be­ festigt. Von dem T-Kopf 22 der Kolbenstange 16 führt auf jeder Seite der Kolbenstange 16 ein flexibles Band 24 zum Umfang der jeweils zugeordneten Rolle 20, wobei jeweils ein Ende des Bandes am Kopf 22 und das andere Ende des Bandes 24 an passender Stelle am Außenumfang der Rolle 20 befestigt ist. Der Durchmesser der Rollen 20 ist so bemessen, daß die Bänder 24 möglichst exakt in der Mittelebene der Kolbenstange 16 verlaufen. Der Durchmes­ ser der Rollen 20 ist ferner so groß bemessen, daß eine dem Hub des Kolbens 8 entsprechende Bandlänge einlagig aufgespult werden kann.

Auf einer Seite der Kolbenstange durchsetzt die Welle 10 eine Federeinheit 26 und führt von dort in eine Freilauf­ einheit 28. Das axial andere Ende der Freilaufeinheit 28 ist mit dem rotierbaren Läufer des Generators 12 dreh­ fest verbunden.

Wenn der Kolben 8 im oberen Totpunkt steht, also ganz links in Fig. 1 und 2, sind die Bänder 24 auf der jeweiligen Rolle 20 maximal aufgespult. Wenn dann verdichtetes Kraft­ stoff-Luftgemisch im Zylinder 30 gezündet wird (Ottomotor) oder Kraftstoff in durch Verdichtung erhitzte Luft im Zylinder 30 eingespritzt wird (Dieselmotor), wird der Kolben in Richtung auf seinen unteren Totpunkt getrieben, also nach rechts in Fig. 1 und 2. Der Kopf 22 zieht die Bänder 24 abspulend von den Rollen 20 ab, wodurch die Welle 10 in einer ersten Drehrichtung in Drehung versetzt wird. Bei dieser ersten Drehrichtung überträgt die Frei­ laufeinheit 28 das Drehmoment der Welle 10 auf den Läu­ fer des Generators 12, der sich somit dreht und Strom erzeugt. In der Federeinheit 26 befindet sich eine Feder, die bei Drehung der Welle 10 in dem ersten Drehsinn zu­ nehmend gespannt wird.

Wenn der Kolben 8 den Bereich seines unteren Totpunkts erreicht hat, ist die Kraft der gespannten Feder in der Federeinheit 26 so groß, daß sich der Drehsinn der Welle 10 in einen zweiten Drehsinn umgkehrt. Beim zweiten Dreh­ sinn unterbricht die Freilaufeinheit 28 den Drehmoment­ fluß zwischen der Welle 10 und dem Generator 12. Die Bänder 24 werden von der Welle 10 bzw. den Rollen 20 her aufspulend nach links in Fig. 1 und 2 gezogen und nehmen über den Kopf 22 und die Kolbenstange 16 den Kolben 8 nach links mit zurück zum oberen Totpunkt. Bei dem Verbrennungsmotor 4 handelt es sich um einen Zweitakt­ motor, so daß sich anschließend der gleiche Zyklus wie beschrieben wiederholt. Beispielsweise durch geeignete Steuerung der Erregung des Generators 12 läßt sich ge­ wünschtenfalls erreichen, daß der Läufer des Generators 12 mindestens im wesentliche gerade zum Stillstand ge­ kommen ist, wenn der Kolben 8 im oberen Totpunkt ist. Dann kann die Freilaufeinheit 28 ohne Drehzahldifferenz einrasten. Es ist aber auch möglich so zu arbeiten, daß sich der Läufer des Generators 12 noch weiter dreht oder schon stillgestanden hat, wenn der Kolben 8 seinen oberen Totpunkt erreicht.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Stromerzeugungsvor­ richtung 2 nicht zwingend die Freilaufeinheit 28 auf­ weisen muß. Die Federeinheit 26 kann auch so dimensioniert sein, daß sie sowohl die Zurückbewegung des Kolbens 8 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt leistet als auch in dieser Zeitspanne den Läufer des Generators 12 im zweiten Drehsinn (zurück)dreht. Während dieser Zeit könnte man gewünschtenfalls die Erregung des Generators 12 so min­ dern, daß die Federeinheit 26 möglichst wenig Leistung zum Drehen des Läufers des Generators 12 im zweiten Dreh­ sinn aufbringen muß.

Da der Generator 12, über die Zeit gesehen, nicht gleich­ mäßig und ggf. mit wechselndem Drehsinn angetrieben wird, ergibt sich ein zeitlich ungleichförmiger Verlauf des erzeugten Stroms. Stromrichtungswechsel können beispiels­ weise durch zyklische Umpolung eliminiert werden. An­ sonsten kann man den zeitlichen Schwankungen, wenn erfor­ derlich, beispielsweise durch Zusammenschalten mehrerer derartiger Stromerzeugungsvorrichtungen 2 begegnen.

Das Ersetzen eines Kurbeltriebs durch den beschriebenen Bandtrieb 6 hat ferner zur Folge, daß man in der Fest­ legung des oberen und/oder des unteren Totpunkts des Kol­ bens 8 weitgehende Freiheit hat. Dies kann man beispiels­ weise für eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors 4 oder für eine Änderung des aktiven Hubraums des Verbrennungsmotors 4 nutzen.

Die zweite Ausführungsform einer Stromerzeugungsvorrichtung 2 gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der zuvor beschrie­ benen, ersten Ausführungsform zunächst dadurch, daß der Verbrennungsmotor 4 zwei miteinander fluchtende Zylinder 30 mit jeweils einem Kolben 8 aufweist und daß die beiden Kolben 8 durch eine gemeinsame Kolbenstange 16 miteinander verbunden sind. Die Kolbenstange 16 ist mit zwei T-Ab­ schnitten 22 und 22′ versehen. Zwischen den beiden T-Ab­ schnitten 22 und 22′ ist die Welle 10 analog wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet, wobei jedoch keine Federeinheit 26 vorhanden ist. Von dem in Fig. 3 rechten T-Abschnitt 22 führen die beiden Bänder 24 zu den beiden Rollen 20 der Welle 10 ganz analog wie bei der ersten Ausführungsform. Außerdem führen jedoch von dem in Fig. 3 linken T-Abschnitt 22′ zwei weitere Bänder 24′ zu den Rollen 20, und zwar in Axialrichtung der Welle 10 bzw. der Rollen 20 gesehen jeweils innen neben dem betreffenden Band 24. Wenn die Bänder 24 ziehend von den Rollen 20 ab­ gespult werden, werden zugleich die Bänder 24′ auf die Rollen 20 aufgespult. Bei einer Bewegung der beiden Kolben 8 von links nach rechts in Fig. 3, also einer Bewegung des linken Kolbens 8 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und einer Bewegung des rechten Kolbens 8 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt werden somit die Bänder 24 abspulend gezogen, und bei der umgekehrten Be­ wegung der beiden Kolben 8 werden die Bänder 24′ abspulend gezogen.

Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform ferner dadurch, daß an beiden Axialenden der Welle 10 jeweils eine Freilaufeinheit 28 und jeweils ein Generator 12 vorgesehen ist. Bei einer Bewegungsrichtung der beiden Kolben 8 greift die eine Freilaufeinheit 28, so daß der eine Generator 12 angetrie­ ben wird. Bei der entgegengesetzten Bewegungsrichtung der beiden Kolben 8 greift die andere Freilaufeinheit 28, so daß der andere Generator 12 angetrieben wird.

Es ist alternativ möglich, auf die beiden Freilaufeinheiten 28 zu verzichten, so daß die beiden Generatoren oszillie­ rend angetrieben werden. Es ist ferner alternativ möglich, mit nur einem Generator 12 und ohne Freilaufeinheit 28 zu arbeiten.

Es wird ferner darauf hingewiesen, daß die beiden Kolben 8 nicht ungedingt durch eine gemeinsame Kolbenstange 16 mit­ einander verbunden sein müssen. Vielmehr können die beiden Kolben 8 mit jeweils eigener Kolbenstange 16 und jeweils eigenem Bandtrieb 6 derart auf eine gemeinsame Welle 10 arbeiten, daß die beiden Kolbenstangen in Axialrichtung der Welle 10 gegeneinander versetzt sind.

Bei den nachfolgend beschriebenen, weiteren Ausführungs­ formen ist aus Übersichtsgründen jeweils der an die Welle 10 angeschlossene Generator 12 nicht eingezeichnet.

Die dritte Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform sehr wesentlich da­ durch, daß das Drehteil 20 die Außenumfangsgestalt einer zylindrischen Rolle mit einer Vertiefung nach Art der oberen Hälfte eines Herzens in einem Umfangsbereich hat. Dieses Drehteil wird daher im folgenden "Herzrolle 20" genannt. Im inneren Spitzende der Vertiefung 32 ist das drehteilseitige Ende des jeweiligen Bandes 24 befestigt. Ferner ist eine Umlenkrolle 34 für das jeweilige Band 24 vorgesehen, wodurch das Band 24 zunächst ganz analog wie bei der ersten Ausführungsform in der Sicht der Fig. 4 in der Mittelebene der Kolbenstange 16 verläuft und dann, näher dem Zylinder 30, leicht nach oben abbiegt zum Außen­ umfang der Herzrolle 20. Ein weiterer, besonders wesent­ licher Unterschied zur ersten und zur zweiten Ausführungs­ form besteht darin, daß die Herzrolle 20 derart vorgesehen ist, daß ihre Vertiefungsspitze 22 dann in Längsrichtung des bis zur Umlenkrolle 34 gestreckten Bandes 24 weist, wenn der Kolben 8 den unteren Totpunkt erreicht hat. Dieser Zustand ist bei der vierten und der fünften Ausführungs­ form in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Dies hat zur Folge, daß das Band 24 bei der Bewegung des Kolbens 8 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt abspulend von der Herzrolle 20 gezogen wird, während sich diese in einem ersten Dreh­ sinn dreht, und daß sich die Drehung der Herzrolle 20 in diesem ersten Drehsinn weiter fortsetzt, wenn dann der Kolben 8 vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zurück­ geht. Das heißt also, daß hierbei das Band 24 sozusagen auf der umfangsmäßig anderen Seite der Vertiefungsspitze beginnend auf die Herzrolle 20 aufgespult wird. Erst bei der nächsten Bewegung des Kolbens 8 vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt kehrt sich der erste Drehsinn der Herzrolle 20 in einen zweiten Drehsinn um, der wiederum beibehalten wird, bis der Kolben 8 wieder zum oberen Tot­ punkt zurückgekehrt ist.

Infolgedessen zeichnet sich die dritte Ausführungsform dadurch aus, daß die Welle 10, auf der die Herzrolle 20 befestigt ist, und damit auch der an die Welle 10 ange­ schlossene, nicht gezeichnete Generator 12 bei Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 8 nicht auf Drehge­ schwindigkeit 0 verzögert und dann in entgegengesetztem Drehsinn beschleunigt wird, sondern daß diese Verzögerung und Beschleunigung nur im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens stattfindet. Die Rotationsträgheit insbe­ sondere des Läufers des Generators 12 bzw. die bei Errei­ chen des unteren Totpunkts des Kolbens 8 in diesem ge­ speicherte Rotationsenergie holt also unter Zugbeaufschla­ gung des Bandes 24 den Kolben 8 zum oberen Totpunkt zu­ rück. Hierdurch sinkt die Drehzahl des Generators 12, so daß sich ein besonders funktionsgerechtes Zulaufen des Kolbens 8 zum oberen Totpunkt mit abnehmender Geschwindig­ keit ergibt. Man kann sogar so weit gehen, die Erregung des Generators 12 in Abhängigkeit von der Rückbewegung des Kolbens 8 zum oberen Totpunkt so zu steuern, daß der Kolben 8 gerade mit einer Geschwindigkeit nahe Null zum oberen Totpunkt kommt.

Die Herzvertiefung mit abgerundetem Übergang in den rest­ lichen, zylindrischen Umfang der Herzrolle 20 hält die Wechselbiegebeanspruchung des Bandes 24 in diesem Bereich klein trotz des wechselnden Aufspulens auf der einen Umfangsseite und der anderen Umfangsseite neben der Herz­ vertiefung 32.

Mit dem Bezugszeichen 36 ist in gestrichelten Linien eine Lagerungsplatte angedeutet, die an den Zylinder 30 be­ festigt ist und der Lagerung der Welle 10 und der Achse der Umlenkrolle 34 dient.

Es versteht sich, daß die dritte Ausführungsform, wenn man sie in der Blickrichtung der Fig. 2 betrachtet, insoweit analog zu der ersten Ausführungsform Herzrollen 20 und zwei Bänder 24 aufweist. Entsprechend sind auch zwei Umlenkrollen 34 auf einer gemeinsamen Achse vorgesehen. Es sind zwei Lagerungsplatten 36 jeweils axial außerhalb der beschriebenen Rollen 20, 34 vorhanden. Die Lagerungs­ platten 36 können an dem dem Zylinder 30 abgewandten Ende weiter verlängert sein als in Fig. 4 gezeichnet, und dort kann eine weitere Führung für den Kopf 22 der Kolben­ stange 16 vorhanden sein. Eine Federeinheit 26 und eine Freilaufeinheit 28 sind bei der dritten Ausführungsform entbehrlich.

Die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform im wesentlichen nur da­ durch, daß am Kopf 22 der Kolbenstange 16 eine weitere Umlenkrolle 38 angeordnet ist, die das Band 24 um etwa 180° umlenkt. Das Ende des Bandes 24, das bei der dritten Ausführungsform am Kopf 22 befestigt war, ist bei der vierten Ausführungsform am Zylinder 30 oder einem anderen geeigneten Teil zwischen den beiden Lagerungsplatten 36 befestigt. Infolgedessen wird bei Bewegung des Kolbens 8 um eine Strecke x etwa ein Bandstück der Länge 2x ab­ gespult oder aufgespult. Ansonsten ist der Bewegungsab­ lauf der Herzrolle 20 in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 8 so, wie bereits im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben. Die (erste) Umlenk­ rolle 34 in dem Bandbereich zwischen dem Kopf 22 und der Herzrolle 22 ist in Relation zur Kolbenstange 16 so an­ geordnet, daß das Band 24 in Fig. 5 gesehen oberhalb und unterhalb der Kolbenstange 16 in praktisch gleicher Winkellage zu der Kolbenstange 16 läuft, so daß die Kolbenstange 16 praktisch rein auf Druck beansprucht ist. Die vierte Ausführungsform hat ferner den Vorteil, daß man ohne Nachteile mit nur einem Band 24, nur einer Herzrolle 20 und nur einer (ersten) Umlenkrolle 34 arbeiten kann.

Die fünfte Ausführungsform gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, daß das­ jenige Ende des Bandes 24, welches bei der vierten Aus­ führungsform zu dem Zylinder 30 oder einem Befestigungs­ teil zwischen den Lagerungsplatten 36 geführt war, zu einer zweiten Herzrolle 20 geführt ist, die symmetrisch zur ersten Herzrolle 20, in Fig. 6 gesehen unterhalb der Kolbenstange 16, angeordnet ist. Es versteht sich, daß die zweite Herzrolle 20 ebenfalls auf einer Welle 10 sitzt und daß jede der beiden Wellen 10 mit einem eigenen Generator 12 verbunden ist. Wenn die beiden Generatoren 12 groß sind, kann einer in Fig. 6 hinter der Zeichen­ ebene und der andere in Fig. 6 vor der Zeichenenbene angeordnet sein. (Erste) Umlenkrollen 34 sind bei der fünften Ausführungsform entbehrlich, weil die Anordnung symmetrisch zur Kolbenstange 16 ist. Am günstigsten wird die Ausbildung so gewählt, daß sich die beiden Herzrollen 20 immer gegensinnig drehen.

In Fig. 7 ist eine Modifikation dargestellt, bei der die Herzrolle 20 exzentrisch auf der Welle 10 sitzt, so daß der Abstand der Aufspul-Umfangsfläche der Herzrolle 20 von der Drehachse über 180° Aufspulwinkel immer größer wird, und zwar symmetrisch geltend für beide Drehrichtungen. Hierdurch kann man erreichen, daß sich die Drehgeschwin­ digkeit der Welle 10 infolge eines sich sozusagen ändern­ den Übersetzungsverhältnisses im Verlauf des Hubs des Kolbens 8 ändert, auch wenn sich der Kolben 8 mit gleich­ bleibender Geschwindigkeit bewegt. Es sind auch andere, für die jeweiligen Anforderungen günstige Änderungen des Abstands der Aufspulfläche des Drehteils 20 von dessen Drehachse über den Umfangswinkel möglich.

Die in Fig. 8 gezeichnete Modifikation des Drehteils 20 besteht darin, daß das Bandende nicht unmittelbar am eigentlichen Drehteil 20 befestigt ist, sondern an einem zylindrischen Zwischenteil 40, das seinerseits um seine Achse drehbar an dem Drehteil 20 gelagert ist. Auf diese Weise läßt sich eine Biegewechselbeanspruchung des Bandes 24 beim Übergang vom Abspulen auf der einen Umfangsseite vom Zwischenteil 40 zum Aufspulen auf der anderen Umfangs­ seite vom Zwischenteil 40 praktisch ganz eliminieren.

Statt der vorstehend bei einigen Ausführungsformen be­ schriebenen Freilaufeinheit 28 kann auch eine intermit­ tierend greifende und lüftende Kupplung vorgesehen sein, die praktisch die gleiche Funktion erfüllt.

Claims (24)

1. Stromerzeugungsvorrichtung (2), mit einem Ver­ brennungsmotor (4), der mindestens einen hin- und her­ gehenden Kolben (8) aufweist, und mit einem von dem Verbrennungsmotor (4) drehend antreibbaren Generator (12), gekennzeichnet durch einen Trieb (6), der hin- und her­ gehende Kolbenbewegung in oszillierende Drehbewegung einer Welle (10) umsetzt, und durch eine Drehmoment-Übertra­ gungsverbindung (14) zwischen der Welle (10) und dem Ge­ nerator (12), durch die der Generator (12) in wechseln­ der Drehrichtung oder intermittierend in gleicher Dreh­ richtung drehend antreibbar ist.

2. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trieb (6) mindestens ein flexibles Band (24) aufweist, das mit einem Ende an einem auf der Welle (10) befestigten Drehteil (20) befestigt ist und das beim Arbeitshub des Kolbens (8) von dem Drehteil (20) abge­ spult und beim entgegengesetzten Hub des Kolbens (8) auf das Drehteil (20) aufgespult wird.

3. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (24) mit dem anderen Ende an einer kolben­ stangenartigen Verlängerung (16) des Kolbens (8) be­ festigt ist.

4. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (24) mit dem anderen Ende ortsfest festge­ legt ist und über eine Umlenkrolle (38) an einer kolben­ stangenartigen Verlängerung des Kolbens (8) geführt ist.

5. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (24) mit dem anderen Ende an einem weiteren Drehteil (20) befestigt ist, von dem es beim Arbeitshub des Kolbens (8) abgespult und auf das es beim entgegen­ gesetzten Hub des Kolbens (8) aufgespult wird, wobei das weitere Drehteil (20) auf einer weiteren Welle (10) befestigt ist, die den genannten Generator (12) oder einen weiteren Generator in wechselnder Drehrichtung oder intermittierend in gleicher Drehrichtung antreibt.

6. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (20) bei der Kolbenbewegung vom oberen Trotpunkt zum unteren Totpunkt eine erste Drehrichtung und bei der Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt eine umgekehrte Drehrichtung hat.

7. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (20) bei der Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und bei der anschließenden Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt durchgehend die gleiche Drehrichtung hat, und daß sich die Drehrichtung des Drehteils für die nächste Hin- und Herbewegung des Kolbens (8) umgekehrt.

8. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die den Kolben (8) vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt zurückholt.

9. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückholeinrichtung eine Feder (26) aufweist, die vorzugsweise auf die Welle (10) oder den Generator (12) wirkt.

10. Stromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückholeinrichtung einen gegensinnig auf das Drehteil (20) oder die Welle (10) arbeitenden, zweiten Kolben (8) aufweist.

11. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückholeinrichtung die Ausnutzung der Rotations­ energie des Drehteils (20) und/oder der Welle (10) und/ oder des Generators (12) aufweist.

12. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehteil (20) einen herzförmigen Außenumfang hat.

13. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (24) mittels eines relativ zu dem Drehteil (20) drehbaren Zwischenteils (40) an dem Drehteil (20) befestigt ist.

14. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Abstand zwischen dem Außenumfang des Dreh­ teils (20) und dessen Drehachse längs des Außenumfangs ändert.

15. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, gekennzeichnet durch eine Umlenkrolle (34) für das Band (24), so daß eine Teillänge des Bandes (24) im wesent­ lichen parallel zu der Verlängerung (16) des Kolbens (8) verläuft.

16. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) über einen Freilauf (28) oder eine intermittierend greifende und lüftende Kupplung von der Welle (10) intermittierend in gleicher Dreh­ richtung antreibbar ist.

17. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für jede der beiden Drehrichtungen der Welle (10) ein eigener Generator (12) vorgesehen ist.

18. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) auch als Anlasser für den Ver­ brennungsmotor (1) ausgebildet ist.

19. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (12) mit einem gewichtsminimierten Rotor ausgebildet ist.

20. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch eine Verbindungsstange (16) miteinander verbundene Kolben (8) vorgesehen sind, die auf eine gemeinsame Welle (10) oder auf eine jeweils eigene Welle (10) arbeiten.

21. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (4) langhubig ist.

22. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (4) ein Zweitaktmotor, vorzugs­ weise mit Vorverdichtung auf der Kolbenstangenseite des Kolbens, ist.

23. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (4) ein Motor mit äußerer Verbrennung ist.

24. Stromerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und/oder der untere Totpunkt des Kolbens (8) durch den Generator (12) gesteuert ist.