EP0293847B1 - Bewegungsumwandlungsvorrichtung - Google Patents

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EP0293847B1
EP0293847B1 EP88108725A EP88108725A EP0293847B1 EP 0293847 B1 EP0293847 B1 EP 0293847B1 EP 88108725 A EP88108725 A EP 88108725A EP 88108725 A EP88108725 A EP 88108725A EP 0293847 B1 EP0293847 B1 EP 0293847B1
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EP
European Patent Office
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piston
shaft
band
winding
area
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EP88108725A
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EP0293847A3 (en
EP0293847A2 (de
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Götz Dipl.-Phys. Heidelberg
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Publication of EP0293847A3 publication Critical patent/EP0293847A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/08—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft with ratchet and pawl
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/15—Intermittent grip type mechanical movement
    • Y10T74/1526—Oscillation or reciprocation to intermittent unidirectional motion
    • Y10T74/1542—Strap actuator
    • Y10T74/1544—Multiple acting
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T74/1542—Strap actuator
    • Y10T74/1544—Multiple acting
    • Y10T74/1545—Spring or weight return
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/15—Intermittent grip type mechanical movement
    • Y10T74/1526—Oscillation or reciprocation to intermittent unidirectional motion
    • Y10T74/1542—Strap actuator
    • Y10T74/1547—Single acting

Definitions

  • a pair of bands is connected to the free end of a piston rod and is guided around a first pair of discs and an axially spaced, second pair of discs in the manner of an endless band.
  • Each pair of disks is seated on a hollow shaft which interacts with an associated central shaft via a one-way clutch, so that each working stroke of the piston leads to a driven rotation of the two shafts by an angular range.
  • One of the two hollow shafts has a further disk, on which a first end of a further band lying with a partial length on the further disk is attached. The second end of the further band is attached to a tension spring.
  • the tension spring With each working stroke of the piston, the tension spring is tensioned by rotating the additional disk and thus increasing the partial length of the additional belt resting on the additional disk. By relaxing the tension spring and turning back the other disc, the piston is returned to its starting position for the next working stroke.
  • the tension spring is a highly stressed component, which is difficult to provide with the required service life, especially with larger outputs.
  • the object is achieved by the invention to provide a motion conversion device which operates with a flexible band and which, in a simple and less wear-prone manner, moves the piston in question back to the starting point of the working stroke.
  • a band under tension has a substantially smaller cross-section than a connecting rod that is subjected to alternating tension and compression.
  • the piston At the beginning of the working stroke movement, the piston is at its top dead center, and at the end of its working stroke movement it is at its bottom dead center.
  • the bottom dead center of the piston can be geometrically below, above or to the side of the opposite, "top" dead center.
  • an internal combustion engine is used which has a working stroke with every piston movement from top dead center to bottom dead center, for example a two-stroke engine or an engine with external combustion according to the Stirling principle, so that the flexible band with every movement of the piston from top dead center to bottom Dead center under the application of tensile force from the piston.
  • the respective band preferably has a thickness in the range from 1 to 3 mm, which represents a good compromise between the longitudinal force carrying capacity and good windability, and a width determined by the longitudinal force to be transmitted.
  • Particularly preferred materials for the band are aramid fibers, polyamide fibers, carbon fibers, steel band, band-like combination of thin steel cables or corresponding metal mesh.
  • a continuous rotary motion of the shaft cannot be generated continuously in the same direction of rotation, but immediately just an oscillating rotary movement.
  • This oscillating rotary movement can be used directly in a whole range of tasks, for example in certain drive tasks.
  • a drive source that is constantly rotating in the same direction.
  • a mechanical freewheel or an intermittently engaging and releasing clutch can be connected to the oscillating shaft.
  • the clutch is preferably controlled electrically, hydraulically or pneumatically. It does not have to be a mechanical clutch, but magnetic clutches or the like can also be provided, for example.
  • a very particularly preferred field is the provision of the motion conversion device for a power generator, in which the power generator is driven by the shaft to oscillate or intermittently to rotate in the same direction of rotation.
  • this type of drive can be used well in current generators, in spite of the complications that appear at first glance, in particular because the current generated can be "post-processed" in an electrical manner, for example rectified or smoothed over time.
  • a separate, intermittently driven generator can be provided for each of the two directions of rotation of the shaft, one for a first direction of rotation and the other for an opposite, second direction of rotation.
  • the internal combustion engine can be designed with a particularly long stroke without any problems, in particular with a piston stroke which is greater than 1.5 times or even greater than 2.0 times the piston diameter. While such a long-stroke design can lead to problems in conventional internal combustion engines, in particular with regard to the lateral forces of the pistons on the cylinder walls and with regard to the maximum piston speed at higher speeds and with regard to the construction volume and construction expenditure of the crank mechanism, the construction expenditure increases with an increase in the piston stroke in the device according to the invention only slightly and the problems mentioned do not necessarily occur due to the principle.
  • the long-stroke design leads in particular to high power density and a good combustion process.
  • the device according to the invention is an internal combustion engine operating according to the two-stroke process, preferably with pre-compression on the piston rod side of the piston.
  • internal combustion engines have the advantages of high power yield per unit weight and simple construction.
  • the device according to the invention offers the possibility of controlling the top dead center by the generator, in particular in such a way that the extent to which the flexible band is wound onto the shaft is controlled. This makes it possible, for example, to change the compression ratio of the internal combustion engine. In an analogous manner, one can also control the bottom dead center of the piston, so that overall there is the possibility of a simple change in the displacement of the engine.
  • Another preferred possibility is to additionally provide a flywheel storage device which releases current in the area of the power hole while slowing down and is kept rotating, for example with approximately twenty percent of the device output, in an electrically driven manner.
  • the piston acting on the belt can represent the so-called working piston of the Stirling engine and, in addition, a driven displacement piston can be provided, which displaces the working gas from a cooled area to one heated area and vice versa with the additional provision of a heat generator.
  • the electric drive of ships, motor vehicles, commercial vehicles and locomotives come into consideration, wherein the device can be provided lying flat between the axes.
  • the generator of the power generation device can also be designed as a starter for the internal combustion engine.
  • an oscillating or an intermittent drive of the starter is particularly suitable.
  • the generator is preferably designed with a rotor with the lowest possible weight or moment of inertia about its axis of rotation, which is particularly important for the embodiment variant with a generator driven in an alternating direction of rotation.
  • the power generation device 2 shown in Figures 1 and 2 consists essentially of a single-cylinder internal combustion engine 4 without a conventional crank mechanism, a belt drive 6, which converts the reciprocating movement of the piston 8 of the internal combustion engine into an oscillating rotary movement of a shaft 10, a current generator 12 and one Torque transmission connection 14 between the shaft 10 and the rotor of the generator 12, not shown separately.
  • a piston rod 16 is rigidly attached to the piston, which leads through a guide 18 at one end of the cylinder and is widened in a T-shape at the free end.
  • the shaft 10 extends, in the viewing direction of FIG. 2, perpendicular to the piston rod 16 and above it.
  • a rotating part 20 is fastened to the shaft 10 with the outer circumferential shape of a cylindrical roller with a depression in the manner of the upper half of a heart in a circumferential region. This turned part is therefore called "heart roll 20" in the following.
  • the end of the respective flexible band 24 on the rotating part side is fastened, while the other end of the respective band 24 is fastened on the T-head 22 of the piston rod 16.
  • a deflection roller 34 is provided for the respective band 24, as a result of which the band 24 initially runs in the central plane of the piston rod 16 and then, closer to the cylinder 30, bends slightly upward toward the outer circumference of the heart roller 20.
  • the heart roller 20 is provided in such a way that its indentation point 32 then points in the longitudinal direction of the band 24 stretched up to the deflection roller 34 when the piston 8 has reached bottom dead center. This state is shown in FIGS. 3 and 4 in the second and third embodiments.
  • the device is characterized in that the shaft 10, on which the heart roller 20 is fastened, and thus also the one connected to the shaft 10.
  • the generator 12 is not decelerated to the rotational speed 0 and then accelerated in the opposite direction, but instead this deceleration and acceleration only take place in the region of the top dead center of the piston.
  • the inertia of rotation, in particular of the rotor of the generator 12 or the rotational energy stored in the piston 8 when it reaches the bottom dead center thus brings the piston 8 back to the top dead center when the band 24 is subjected to tension.
  • the heart depression with a rounded transition into the remaining, cylindrical circumference of the heart roller 20 keeps the alternating bending stress of the band 24 small in this area despite the changing winding on one circumferential side and the other circumferential side next to the heart depression 32.
  • the reference numeral 36 indicates in dashed lines a bearing plate which is fastened to the cylinder 30 and the bearing of the shaft 10 and the axis the pulley 34 is used.
  • the device has two heart rolls 20 and two bands 24.
  • two deflection rollers 34 are also provided on a common axis.
  • the bearing plates 36 can be extended further at the end facing away from the cylinder 30 than shown in FIG. 1, and there can be a further guide for the head 22 of the piston rod 16.
  • the generator 12 Since the generator 12, viewed over time, is not driven uniformly and possibly with an alternating direction of rotation, the current generated is non-uniform over time. Current direction changes can be eliminated, for example, by cyclical polarity reversal. Otherwise, the temporal fluctuations can be countered, if necessary, for example by interconnecting a number of such power generation devices 2.
  • crank mechanism by the belt drive 6 described also has the result that there is extensive freedom in determining the upper and / or lower dead center of the piston 8. This can be used, for example, for a change in the compression ratio of the internal combustion engine 4 or for a change in the active displacement of the internal combustion engine 4.
  • the generator 12 connected to the shaft 10 is not shown for reasons of clarity.
  • the second embodiment according to FIG. 3 differs from the first embodiment essentially only in that a further deflection roller 38 is arranged on the head 22 of the piston rod 16, which deflects the band 24 by approximately 180 °.
  • the end of the band 24, which was attached to the head 22 in the first embodiment, is attached to the cylinder 30 or other suitable part between the two bearing plates 36 in the second embodiment.
  • the (first) deflection roller 34 in the band area between the head 22 and the heart roller 22 is arranged in relation to the piston rod 16 such that the band 24, seen in FIG. 3, runs above and below the piston rod 16 in practically the same angular position to the piston rod 16, so that the piston rod 16 is practically purely subjected to pressure.
  • the second embodiment also has the advantage that one can work with only one band 24, only one heart roller 20 and only one (first) deflection roller 34 without disadvantages.
  • the third embodiment according to FIG. 4 differs from the second embodiment in that the end of the band 24, which in the second embodiment was led to the cylinder 30 or a fastening part between the bearing plates 36, is guided to a second heart roller 20, which is symmetrical to the first heart roller 20, seen in FIG. 4 below the piston rod 16. It is understood that the second heart roller 20 is also seated on a shaft 10 and that each of the two shafts 10 is connected to its own generator 12. If the two generators 12 are large, one can be arranged behind the drawing plane in FIG. 4 and the other in FIG. 4 before the drawing plane. (First) deflection rollers 34 are unnecessary in the third embodiment because the arrangement is symmetrical to the piston rod 16. The training is most favorably chosen so that the two heart rolls 20 always rotate in opposite directions.
  • FIG. 5 shows a modification in which the heart roller 20 is seated eccentrically on the shaft 10, so that the distance between the winding circumferential surface of the heart roller 20 and the axis of rotation becomes greater and greater over 180 ° winding angle, namely symmetrically for both directions of rotation.
  • the rotational speed of the shaft 10 changes as a result of a change in the transmission ratio, so to speak, in the course of the stroke of the piston 8, even if the piston 8 moves at a constant speed.
  • Other changes, which are favorable for the respective requirements, of the distance of the winding surface of the rotary part 20 from its axis of rotation via the circumferential angle are also possible.
  • the modification of the rotating part 20 shown in FIG. 6 consists in that the end of the band is not attached directly to the actual rotating part 20, but to one cylindrical intermediate part 40, which in turn is rotatably mounted about its axis on the rotating part 20. In this way, an alternating bending stress on the band 24 during the transition from unwinding on one circumferential side from the intermediate part 40 to winding on the other circumferential side from the intermediate part 40 can practically be eliminated.
  • the exemplary embodiments described above can also be built without the respective current generator 12.
  • the rotational movement of the shaft 10 can be used as a mechanical power source.

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Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Umwandeln der hin- und hergehenden Bewegung eines Kolbens eines Verbrennungsmotors in eine oszillierende Drehbewegung mindestens einer Welle, mit:
    • (a) einem Aufspul- und Abspulbereich an der Welle;
    • (b) einem flexiblen Band, das mit einem Ende an dem Aufspulund Abspulbereich befestigt ist;
    • (c) einer kolbenstangenartigen Verlängerung des Kolbens, die derart mit dem flexiblen Band in Eingriff ist, daß das Band durch den Arbeitshub des Kolbens von dem Aufspul- und Abspulbereich ziehend abgespult wird; und
    • (d) einer Auslegung mit derartiger Rotationsträgheit der Welle, daß sich die Welle am Ende des Arbeitshubs im gleichen Drehsinn weiterdreht, wodurch das Band im entgegengesetzten Wicklungssinn aufgespult und der Kolben durch das Band zurückgezogen wird.
  • Aus dem Dokument DE-A-118 435 ist eine Vorrichtung zum Umwandeln der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens eines Verbrennungsmotors in eine Drehbewegung bekannt. Mit dem freien Ende einer Kolbenstange ist ein Bandpaar verbunden, das nach Art eines Endlosbandes um ein erstes Scheibenpaar und ein achsbeabstandetes, zweites Scheibenpaar geführt ist. Jedes Scheibenpaar sitzt auf einer Hohlwelle, die über eine Freilaufkupplung mit einer zugehörigen Zentralwelle zusammenwirkt, so daß jeder Arbeitshub des Kolbens zu einer angetriebenen Drehung der beiden Wellen um einen Winkelbereich führt. Eine der beiden Hohlwellen weist eine weitere Scheibe auf, an der ein erstes Ende eines mit einer Teillänge auf der weiteren Scheibe aufliegenden, weiteren Bandes befestigt ist. Das zweite Ende des weiteren Bandes ist an einer Zugfeder befestigt. Bei jedem Arbeitshub des Kolbens wird durch Drehen der weiteren Scheibe und damit Vergrößerung der auf der weiteren Scheibe aufliegenden Teillänge des weiteren Bandes die Zugfeder gespannt. Durch Entspannen der Zugfeder und damit Zurückdrehen der weiteren Scheibe wird der Kolben in seine Ausgangsstellung für den nächsten Arbeitshub zurückgeholt. Die Zugfeder stellt ein hochbelastetes Bauteil dar, welches insbesondere bei größeren Leistungen nur schwer mit der erforderlichen Lebensdauer bereitgestellt werden kann.
  • Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine mit flexiblem Band arbeitende Bewegungsumwandlungsvorrichtung zu schaffen, die in einfacher und wenig verschleißanfälliger Weise die Zurückbewegung des betreffenden Kolbens zum Ausgangspunkt des Arbeitshubs leistet.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zurückbezogenen Ansprüchen angegeben.
  • Gemessen an einer bestimmten, vom Kolben ausgeübten Längskraft hat ein zugbeanspruchtes Band einen wesentlich geringeren Querschnitt als ein wechselnd auf Zug und Druck beanspruchtes Pleuel. Außerdem ist kein wechselnd beanspruchtes Pleuellager, das - abhängig von der Kolbenlängskraft - eine große Lagerfläche benötigt, vorhanden.
  • Bei Beginn der Arbeitshubbewegung befindet sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt, und am Ende seiner Arbeitshubbewegung befindet er sich in seinem unteren Totpunkt. Der untere Totpunkt des Kolbens kann, je nach räumlicher Anordnung des Kolbens bzw. des Verbrennungsmotors, geometrisch unterhalb, oberhalb oder seitlich vom entgegengesetzten, "oberen" Totpunkt sein. Bevorzugt ist ein Verbrennungsmotor eingesetzt, der bei jeder Kolbenbewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt einen Arbeitshub hat, beispielsweise ein Zweitaktmotor oder ein Motor mit äußerer Verbrennung 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.
  • Bevorzugte Möglichkeiten des Eingriffs einer kolbenstangenartigen Verlängerung des betreffenden Kolbens mit dem flexiblen Band sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben und weiter unten noch genauer beschrieben.
  • Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 8 angegeben und weiter unten noch genauer beschrieben.
  • 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 Aufspul- und Abspulbereichen an 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 vermeiden.
  • Das jeweilige Band hat vorzugweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm, was einen guten Kompromiß zwischen Längskrafttragvermögen und guter Aufspulbarkeit darstellt, und eine durch die zu übertragende Längskraft bestimmte Breite. Besonders bevorzugte Materialien für das Band sind Aramidfasern, Polyamidfasern, Kohlefasern, Stahlband, bandartige Zusammenfassung dünner Stahlseile oder entsprechender Metallgewebe.
  • Es ist ein Charakteristikum von Bewegungsumwandlungsvorrichtungen der erfindungsgemäßen Art, daß sich nicht unmittelbar eine kontinuierliche Drehbewegung der Welle ständig in der gleichen Drehrichtung erzeugen läßt, sondern unmittelbar nur eine oszillierende Drehbewegung. Bei einer ganzen Reihe von Aufgaben kann man diese oszillierende Drehbewegung unmittelbar nutzen, beispielsweise bei bestimmten Antriebsaufgaben. Häufig wird man es jedoch vorziehen, eine ständig im gleichen Drehsinn rotierende Antriebsquelle zur Verfügung zu haben. Um dies zu erreichen, kann man an die oszillierende Welle insbesondere einen mechanischen Freilauf oder eine intermittierend greifende und lüftende Kupplung anschließen. Die 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 vorsehen.
  • Ein ganz besonders bevorzugtes Gebiet ist das Vorsehen der Bewegungsumwandlungsvorrichtung für einen Stromerzeuger, bei dem der Stromgenerator von der Welle oszillierend oder intermittierend in gleicher Drehrichtung drehend angetrieben wird. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß gerade bei Stromgeneratoren diese Art des Antriebs trotz der auf den ersten Blick vorhandenen Komplikationen gut einsetzbar ist, insbesondere weil der erzeugte Strom auf elektrische Weise "nachbearbeitet" werden kann, beispielsweise gleichgerichtet oder in seinem zeitlichen Verlauf geglättet werden kann.
  • Im Sinne einer besseren Leistungsausnutzung der Vorrichtung kann für jede der beiden Drehrichtungen der Welle ein eigener, intermittierend angetriebener Generator vorgesehen sein, und zwar der eine für eine erste Drehrichtung und der andere für eine entgegengesetzte, zweite Drehrichtung.
  • Es ist ein besonders wesentliches Charakteristikum der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß man den Verbrennungsmotor problemlos besonders langhubig auslegen kann, insbesondere mit einem Kolbenhub, der größer als das 1,5-fache oder sogar größer als das 2,0-fache des Kolbendurchmessers ist. Während bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren eine derart langhubige Auslegung zu Problemen führen kann, insbesondere hinsichtlich der Seitenkräfte der Kolben auf die Zylinderwände und hinsichtlichen der maximalen Kolbengeschwindigkeit 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 herkömmlichen Verbrennungsmotoren infolge des Kurbeltriebs die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens über den Kolbenweg im wesentlichen nach einer Sinusfunktion verläuft, während man bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem wesentlich gleichmäßigeren Verlauf der Kolbengeschwindigkeit 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 Kolbengesschwindigkeit über den Kolbenhub ablaufenden Bewegungsablauf erzwingen. Ferner wird besonders auf die Möglichkeit hingewiesen, für die Rückbewegung des betreffenden Kolbens zum Ausgangspunkt seines Arbeitshubs den Antriebswiderstand des Generators möglichst weit herabzusetzen, damit diese Rückbewegung möglichst leicht vonstatten geht.
  • Besonders bevorzugt ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung ein nach dem Zweitaktverfahren arbeitender Verbrennungsmotor, vorzugsweise mit Vorverdichtung auf der Kolbenstangenseite des Kolbens. Derartige Verbrennungsmotoren haben neben dem weiter vorn genannten Vorteil die Vorteile hoher Leistungsausbeute pro Gewichtseinheit und einfacher Bauweise.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die Möglichkeit, den oberen Totpunkt durch den Generator zu steuern, insbesondere in der Weise, daß das Ausmaß des Aufspulens des flexiblen Bandes auf die Welle gesteuert ist. Dies gibt die Möglichkeit, beispielsweise 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 Kolbentotpunkten auftretende, elektrische "Leistungsloch" des Generators mehr oder weniger auszugleichen, kann man vorzugsweise eine Vorrichtung mit mindestens zwei Zylindern und Kolben vorsehen, die zeitversetzt so arbeiten, daß die Totpunkte des einen Kolbens gerade zwischen den Totpunkten des anderen Kolbens liegen. Eine weitere, bevorzugte Möglichkeit besteht darin, zusätzlich einen Schwungradspeicher vorzusehen, der im Bereich des Leistungslochs unter Verlangsamung Strom abgibt und, beispielsweise mit etwa zwanzig Prozent der Vorrichtungsleistung, elektrisch angetrieben drehend gehalten wird.
  • Wenn es sich bei dem Verbrennungsmotor um einen Verbrennungsmotor mit äußerer Verbrennung nach dem Stirling-Prinzip handelt, kann der auf das Band wirkende Kolben den sogenannten Arbeitskolben des Stirling-Motors darstellen und zusätzlich ein angetriebener Verdrängerkolben vorgesehen sein, der Arbeitsgasverschiebung von einem gekühlten Bereich zu einem beheizten Bereich und umgekehrt unter zusätzlichem Vorsehen eines Wärmeregenerators leistet.
  • Als besonders bevorzugte Anwendungsgebiete von Stromerzeugungsvorrichtungen, die mit der erfindungsgemäßen Bewegungsumwandlungsvorrichtung ausgestattet sind, kommen der elektrische Antrieb von Schiffen, Kraftfahrzeugen, Nutzfahrzeugen und Lokomotiven in Betracht, wobei die Vorrichtung flach zwischen den Achsen liegend vorgesehen sein kann.
  • Der Generator der Stromerzeugungsvorrichtung kann auch als Anlasser für den Verbrennungsmotor 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 Drehachse ausgebildet, was für die Ausführungsvariante mit in wechselnder Drehrichtung angetriebenem Generator besonders wesentlich ist.
  • Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand mehrerer, schematisiert zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele von Stromerzeugungsvorrichtungen, die erfindungsgemäße Bewegungsumwandlungseinrichtungen beinhalten, noch näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht einer Stromerzeugungsvorrichtung in Richtung der Achse des Generators (Blickrichtung I-I in Fig. 2), wobei ein Teil der Vorrichtung weggeschnitten ist;
    Fig. 2
    eine andere Seitenansicht der Stromerzeugungsvorrichtung von Fig. 1, und zwar gemäß Pfeil II in Fig. 1 und rechtwinklig zur Blickrichtung von Fig.1;
    Fig. 3
    eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungsvorrichtung in einer Blickrichtung analog Fig. 1;
    Fig. 4
    eine weitere Ausführungsform einer Stromerzeugungsvorrichtung in Blickrichtung analog Fig. 1;
    Fig. 5 und 6
    abgewandelte Ausführungsformen eines Drehteils.
  • Die in Figuren 1 und 2 gezeigte Stromerzeugungsvorrichtung 2 besteht im wesentlichen aus einem einzylindrigen Verbrennungsmotor 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 Drehmoment-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 Figur 2, rechtwinkling zur Kolbenstange 16 und oberhalb von dieser. Auf jeder Seite der Kolbenstange 16 ist auf der Welle 10 ein Drehteil 20 befestigt mit der Außenumfangsgestalt einer zylindrischen Rolle mit einer Vertiefung nach Art der oberen Hälfte eines Herzes in einem Umfangsbereich. Dieses Drehteil wird daher im folgenden "Herzrolle 20" genannt. Im inneren Spitzende der Vertiefung 32 ist das drehteilseitige Ende des jeweiligen flexiblen Bandes 24 befestigt, während das andere Ende des jeweiligen Bandes 24 an dem T-Kopf 22 der Kolbenstange 16 befestigt ist. Ferner ist eine Umlenkrolle 34 für das jeweilige Band 24 vorgesehen, wodurch das Band 24 zunächst in der Mittelebene der Kolbenstange 16 verläuft und dann, näher dem Zylinder 30, leicht nach oben abbiegt zum Außenumfang der Herzrolle 20. Die Herzrolle 20 ist derart vorgesehen, daß ihre Vertiefungsspitze 32 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 zweiten und der dritten Ausführungsform in den Figuren 3 und 4 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 Drehsinn, 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 zurückgeht. 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 Totpunkt zurückgekehrt ist.
  • Infolgedessen zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, daß die Welle 10, auf der die Herzrolle 20 befestigt ist, und damit auch der an die Welle 10 angeschlossene. Generator 12 bei Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 8 nicht auf Drehgeschwindigkeit 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 insbesondere des Läufers des Generators 12 bzw. die bei Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens 8 in diesem gespeicherte Rotationsenergie holt also unter Zugbeaufschlagung des Bandes 24 den Kolben 8 zum oberen Totpunkt zurück. Hierdurch sinkt die Drehzahl des Generators 12, so daß sich ein besonders funktionsgerechtes Zulaufen des Kolbens 8 zum oberen Totpunkt mit abnehmender Geschwindigkeit ergibt. Man kann sogar soweit 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 restlichen, zylindrischen Umfang der Herzrolle 20 hält die Wechselbiegegeanspruchung des Bandes 24 in diesem Bereich klein trotz des wechselnden Aufspulens auf der einen Umfangsseite und der anderen Umfangsseite neben der Herzvertiefung 32.
  • Mit dem Bezugszeichen 36 ist in gestrichelten Linien eine Lagerungsplatte angedeutet, die an dem Zylinder 30 befestigt ist und der Lagerung der Welle 10 und der Achse der Umlenkrolle 34 dient.
  • Die Vorrichtung weist zwei Herzrollen 20 und zwei Bänder 24 auf. 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 Lagerungsplatten 36 können an dem dem Zylinder 30 abgewandten Ende weiter verlängert sein als in Figur 1 gezeichnet, und dort kann eine weitere Führung für den Kopf 22 der Kolbenstange 16 vorhanden sein.
  • Da der Generator 12, über die Zeit gesehen, nicht gleichmäßig und ggf. mit wechselndem Drehsinn angetrieben wird, ergibt sich ein zeitlich ungleichförmiger Verlauf des erzeugten Stroms. Stromrichtungswechsel können beispielsweise durch zyklische Umpolung eliminiert werden. Ansonsten kann man den zeitlichen Schwankungen, wenn erforderlich, beispielsweise durch Zusammenschalten mehrerer derartiger Stomerzeugungsvorrichtungen 2 begegnen.
  • Das Ersetzen eines Kurbeltriebs durch den beschriebenen Bandtrieb 6 hat ferner zur Folge, daß man in der Festlegung des oberen und/oder des unteren Totpunkt des Kolbens 8 weitgehende Freiheit hat. Dies kann man beispielsweise für eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses des Verbrennungsmotors 4 oder für eine Änderung des aktiven Hubraums des Verbrennungsmotors 4 nutzen.
  • Bei den nachfolgend beschriebenen, weiteren Ausführungsformes ist aus Übersichtsgründen jeweils der an die Welle 10 angeschlossene Generator 12 nicht eingezeichnet.
  • Die zweite Ausführungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im wesentlichen nur dadurch, 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 ersten Ausführungsform am Kopf 22 befestigt war, ist bei der zweiten 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 abgespult oder aufgespult. Ansonsten ist der Bewegungsablauf der Herzrolle 20 in Abhängigkeit von der Bewegung des Kolbens 8 so, wie bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben. Die (erste) Umlenkrolle 34 in dem Bandbereich zwischen dem Kopf 22 und der Herzrolle 22 ist in Relation zur Kolbenstange 16 so angeordnet, daß das Band 24 in Figur 3 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 zweite 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 dritte Ausführungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, daß dasjenige Ende des Bandes 24, welches bei der zweiten Ausführungsform zu dem Zylinder 30 oder einem Befestigungsteil zwischen den Lagerungsplatten 36 geführt war, zu einer zweiten Herzrolle 20 geführt ist, die symmetrisch zur ersten Herzrolle 20, in Figur 4 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 Figur 4 hinter der Zeichenebene und der andere in Figur 4 vor der Zeichenebene angeordnet sein. (Erste) Umlenkrollen 34 sind bei der dritten 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 Figur 5 ist ein 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 Drehgeschwindigkeit der Welle 10 infolge eines sich sozusagen ändernden Übersetzungsverhältnisses im Verlauf des Hubs des Kolbens 8 ändert, auch wenn sich der Kolben 8 mit gleichbleibender 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 Figur 6 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 Umfangsseite vom Zwischenteil 40 praktisch ganz eliminieren.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch ohne den jeweiligen Stromgenerator 12 gebaut sein. In diesem Fall läßt sich die Drehbewegung der Welle 10 als mechanische Leistungsquelle nutzen.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zum Umwandeln der hin- und hergehenden Bewegung eines Kolbens (8) eines Verbrennungsmotors (4) in eine oszillierende Drehbewegung mindestens einer Welle (10), mit:
    (a) einem Aufspul- und Abspulbereich (20) an der Welle (10);
    (b) einem flexiblen Band (24), das mit einem Ende an dem Aufspul- und Abspulbereich (20) befestigt ist;
    (c) einer kolbenstangenartigen Verlängerung (16) des Kolbens (8), die derart mit dem flexiblen Band (24) in Eingriff ist, daß das Band (24) durch den Arbeitshub des Kolbens (8) von dem Aufspul- und Abspulbereich (20) ziehend abgespult wird; und
    (d) einer Auslegung mit derartiger Rotationsträgheit der Welle (10), daß sich die Welle (10) am Ende des Arbeitshubs im gleichen Drehsinn weiterdreht, wodurch das Band (24) im entgegengesetzten Wicklungssinn aufgespult und der Kolben (8) durch das Band (24) zurückgezogen wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Band (24) mit dem anderen Ende an der kolbenstangenartigen Verlängerung (16) des Kolbens (8) befestigt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Band (24) mit dem anderen Ende ortsfest festgelegt ist und über eine Umlenkrolle (38) an der kolbenstangenartigen Verlängerung des Kolbens (8) geführt ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Band (24) mit dem anderen Ende an einem Aufspul- und Abspulbereich (20) einer weiteren Welle (10) befestigt ist, von dem es beim Arbeitshub des Kolbens (8) abgespult wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    gekennzeichnet durch eine Umlenkrolle (34) für das Band (24), so daß eine Teillänge des Bandes (24) im wesentlichen parallel zu der kolbenstangenartigen Verlängerung (16) des Kolbens (8) verläuft.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Aufspul- und Abspulbereich (20) einen herzförmigen Außenumfang hat.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Band (24) mittels eines relativ zu dem Aufspul- und Abspulbereich (20) drehbaren Zwischenteils (40) an diesem Bereich (20) befestigt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sich der Abstand zwischen dem Außenumfang des Aufspul- und Abspulbereichs (20) und der Drehachse der Welle (10) längs des Außenumfangs ändert.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Welle (10) über mindestens einen Freilauf an mindestens ein drehend anzutreibendes Element angeschlossen ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Welle (10) über mindestens eine intermittierend greifende und lüftende Kupplung an mindestens ein drehend anzutreibendes Element angeschlossen ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie Bestandteil eines Stromerzeugers (2) ist, bei dem ein Generator (12) von der Welle (10) antreibbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für jede der beiden Drehrichtungen der Welle (10) ein eigener Generator (12) vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Generator (12) auch als Anlasser für den Verbrennungsmotor (4) ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Generator (12) mit einem gewichtsminimierten Rotor ausgebildet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbrennungsmotor (4) langhubig ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbrennungsmotor (4) ein Zweitaktmotor ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verbrennungsmotor (4) ein Motor mit äußerer Verbrennung ist.
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