WO2009024608A1 - Asynchroner stromgenerator mit freikolbenmotor - Google Patents

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WO2009024608A1
WO2009024608A1 PCT/EP2008/060979 EP2008060979W WO2009024608A1 WO 2009024608 A1 WO2009024608 A1 WO 2009024608A1 EP 2008060979 W EP2008060979 W EP 2008060979W WO 2009024608 A1 WO2009024608 A1 WO 2009024608A1
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piston
freewheel
free
rack
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Norbert Dr. Kuhl
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Dr Kuhl Norbert
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    • F02B63/042—Rotating electric generators

Definitions

  • the invention relates to a power generator system with an asynchronously operated generator and at least one free-piston engine as a drive.
  • Asynchronous power generators have long been known. They are preferably used for the production of three-phase current, since they are relatively simple in construction and in operation. They are manufactured in many different sizes and used in generator systems.
  • a type of conversion of the linear piston movement into a rotation or into a torque, which is different from the principle of the crankshaft motor, is provided by the so-called free-piston engine.
  • the z. B. converted over the expansion of combustion gases generated linear motion of a piston without the use of a connecting rod and a crankshaft in a torque.
  • This conversion takes place via mechanical couplings or gears in which the piston force is always transmitted at the same, optimal angle of attack in all phases of the piston stroke. This results in a noticeable increase in the achievable efficiency compared to the crankshaft motor.
  • free-piston boxer engine in which two at their backs rigidly interconnected piston in two coaxially aligned cylinders perform an alternating reciprocating motion.
  • the respective top dead center of the stroke movement of one piston corresponds to the lower reversal point / dead center of the other piston.
  • free-piston boxer engines are known, for example, from DE 42 01 569.
  • the output shaft of the motor is rotatably mounted in the housing connecting the two cylinders.
  • the two cylinders are connected to one another in a rigid manner by means of a push rod, with the push rod being provided with toothed racks on two opposite side surfaces.
  • the racks are each operatively connected to a gear which is by means of a freewheel with a driven gear mounted on the output shaft. By alternately transmitting power from one or the other gear, the reciprocal motion of the free pistons is converted into a pure, co-rotation on the output shaft. Similar constructions with multiple racks are also described in DE 35 31 862 A1 and DE 10 2006 003 026 A1.
  • DE 202 18 731 111 The construction described in DE 202 18 731 111 is problematic because, due to the limited space available in the floor space only relatively small and thus less robust components permits. As a result, there is a risk of material failure in the high loads occurring during operation. Also, the accessibility and the possibility of inspecting the drive are unsatisfactory.
  • a substantially similar construction is also shown in DE 33 31 404 A1, which already describes the use for driving a wind sensor which is not further specified. cified auxiliary power generator suggests. However, this construction of the free-piston drive suffers from the same defects as that according to DE 202 18 731 U1.
  • DE 44 47 138 A1 relates to a power generator system with a motor drive designated free-flying piston engine, but this has a connecting rod and a crankshaft and is therefore not a free-piston engine in the sense of the invention.
  • DE 102 41 101 A1 shows a power generator with drive via free-piston motors, in which a rectilinear reciprocating rotor generates current in stator windings. Complex measures are required for converting the pulsating current into a current curve that can be used by consumers.
  • the present invention seeks to provide a power generator system with a free-piston engine, which has a high efficiency and whose drive has a particularly robust and easily accessible construction.
  • the power generator system uses an asynchronously operated generator, which is preferably provided as a three-phase asynchronous generator of conventional design.
  • asynchronous generators are available in series in a wide range of different ratings. Their general operating characteristics and advantages are known and therefore need not be discussed further here. They have a drive shaft, via which a torque and thus the drive power can be transmitted to the rotor. From the windings of the stator an electric current is generated from this, which is usually removable as a three-phase current at the output terminals of the asynchronous generator.
  • a special free-piston engine is used as a drive for the generator.
  • This is designed as a free piston boxer engine, in which two on their backs mit- mit- Tels a - preferably solid - connecting part connected pistons in each cylinder space slidably back and forth are movable.
  • the two cylinder chambers are closed at their respective ends - preferably with a cylinder head cover - and are aligned with each other. Since, during operation, the pistons are alternately pressurized by a drive medium, they perform linear reciprocating motions coupled in a force-locking manner via the connecting part.
  • a toothing present On a lateral outer surface of the robust and preferably integrally formed with the two pistons connecting part according to the invention a toothing present.
  • This can also be provided in the form of a separate rack, which is firmly connected to the connecting part, for example. By screws.
  • This design will generally be preferable because it allows for easy and relatively inexpensive replacement of this component with wear or breakage of the teeth.
  • a suitable shaping of the rack and the associated mounting surface on the connecting part such as steps / grooves or training as a dovetail connection, a robust construction with optimum power transmission is achieved.
  • toothing or toothed rack according to the invention meshes with at least one toothed wheel arranged on a rotatably mounted shaft, which can be put directly into rotation under the action of the toothing Component of the free-piston boxer engine, on which the vibration-like reciprocating movement of the free piston is converted into a rotation and thus into a torque the connecting part is to be understood, alternately in one direction and in the other direction. It is therefore not yet readily available for generating a torque acting only in one direction of rotation. How this transformation takes place is explained below with the help of various constructive variants.
  • the toothing / rack according to the invention always acts on the periphery of the gear, so always with a constant, maximum lever arm with respect to the gear shaft bearing, the ratios for the power transmission in all phases of movement of the free piston are always the same and always on the highest possible value.
  • the conversion of the linear piston movement into a torque thus always takes place under optimal conditions.
  • the toothed wheel projects through a lateral opening of the preferably cylindrically formed connecting region between the two cylinder chambers into the interior of the connecting region.
  • the connecting part or at least its region carrying the toothing, can protrude through a corresponding opening into the outer space and there mesh with the toothed wheel or a plurality of toothed wheels. In both cases, there is enough space available for the toothing and the toothed wheel (or gears) so that they can be made sufficiently large and robust.
  • the inventive construction of the free-piston boxer engine also gives the designer more freedom for the design and arrangement of the further elements for converting the reciprocating rotation of the gear mentioned in claim 1 into a continuous rotation in the same direction.
  • these other elements such as a freewheel, which is used according to claim 3, the storage of this gear, and additional gears / freewheels, this gear directly according to claim 4 or indirectly with the output shaft of the free-piston boxer engine are in operative connection.
  • the gear mounted by means of a first freewheel on the output shaft meshes with another gear, which is mounted together with a parallel gear on a shaft spaced from the output shaft rotatably (with respect to this shaft).
  • the parallel gear drives a reverse gear, which is required to reverse the sense of rotation, which is a second, also mounted on a second freewheel on the output shaft parallel to the at least one gear.
  • This second freewheel is synchronized with the first freewheel, ie it blocks the gearwheel with respect to the shaft or releases it freely with the same freewheel. sense like the first freewheel.
  • the output shaft experiences a torque acting exclusively in the desired direction of rotation at each stroke of the free piston, as will be explained in detail in the description of the corresponding exemplary embodiment.
  • the direction of rotation necessarily results from the matching blocking direction of the two freewheels used.
  • the claim 6 relates to a modification of the underlying claim 5, in which two gears directly with the toothing / rack engaged hen. These two gears may be arranged side by side or behind one another with respect to the toothing / rack, each having its own shaft. For one gear, this is preferably the output shaft of the free-piston engine, on which the one gear is mounted via a first freewheel.
  • the other gear drives - either directly or via a parallel to him, non-rotatably on the same shaft gelaggered further gear - a second gear, which is also preferably mounted on a second freewheel on the output shaft.
  • the second freewheel acts in the same direction as the first freewheel, d. H. he has the same blocking or freewheeling direction as this.
  • the second freewheel with the associated gear on the output shaft.
  • the freewheel can serve in the invention for the storage of the second of the rack directly driven gear or arranged for this purpose on the same shaft, parallel gear. In this case, however, a correct arrangement of the blocking or the freewheeling direction of the freewheel must be ensured, so that the output shaft of both gears located on it is always driven only in one direction of rotation. If, for example, a second toothed wheel according to claim 6 is directly driven by the teeth / toothed rack of the free piston, a freewheel associated with this toothed wheel is designed in the opposite sense to that of the first toothed wheel which is mounted on the output shaft by means of a freewheel.
  • the rack block is provided on its upper side with an intermediate toothed rack whose toothing corresponds to that of the toothing / toothed rack of the free piston.
  • the rack block performs under the action of the intermediate gear from a linear reciprocating motion whose direction is due to the intermediate gear opposite to that of the teeth / rack of the free piston.
  • the rack block on a suitable storage, eg. About guide rails and guide pins with bearings.
  • the rack block drives via two on its underside (the side facing away from the intermediate gear) arranged rack sections two separately mounted on associated shafts gears. These correspond in the arrangement and function of the two gears, which are driven according to claim 6 directly from the teeth / rack. Details will be explained in connection with the description of the embodiment with reference to FIG. 3.
  • spring means are provided in the end regions of the cylinder. These are preferably designed as compression springs and serve to decelerate or accelerate the pistons in the vicinity of the top dead center of their stroke. In this case, the kinetic energy of the piston is stored in the spring or released from it when the direction of the movement reverses. As a result, an improved utilization of the piston force and thus the fuel is achieved.
  • Such a design of the power generator system is particularly suitable for small power plants, for example.
  • decentralized, autonomous use d. H. regardless of a parent power network.
  • the simple adaptation of the size or the power of the power generator system according to the invention is advantageous.
  • a control device for setting the correct frequency and phase of the injected current is required.
  • Long-stroke free-piston engines are preferably used in the power generator system according to the invention since, in conjunction with the operating characteristics of asynchronously operated generators, they permit optimum operation with regard to efficiency.
  • long-stroke cylinders are used whose stroke is much longer than the cylinder inner diameter.
  • the pressure prevailing in the cylinder space can be reduced to approx. 1 bar overpressure and converted into torque at the output shaft of the free-piston engine.
  • performance gains of up to 30% can be achieved compared to conventional crankshaft-driven engines.
  • the velocity of the free piston can be kept approximately constant throughout the stroke, except for the acceleration or deceleration phases near the reversal points of the movement. This means an approximately constant speed on the output shaft. Smaller deviations in the speed have only a minimal influence on the power generation due to the characteristics of asynchronously operated power generators.
  • low speeds of the free piston movement can be achieved down to 1 m / sec. This allows individual processes, such. B. the squeezing of the decompressed propellant gases through the exhaust valve and the introduction of the propellant gases through the inlet valve are carried out almost lossless. It is also possible to operate such a free-piston engine in the low-temperature range and to achieve an energie slaughteren cycle when using steam or mixed steam.
  • Free-piston engines are suitable for the use of various operating materials, such as high-pressure steam or combustion gases from the ignition of combustible gases or liquids. Admixture of other media, for example of benzene in a certain phase of the expansion of the propellant gases, allows better process control and thus a further increase in the efficiency.
  • the purely axial movement of the free piston causes several advantages over the crank movement.
  • the lateral forces acting on the piston and the piston rod / rack are small. This applies both to the effect of the gas forces and of the mass forces.
  • the lubrication of the free-piston engine is not critical because no relative movements occur under high loads. Bearings that have the highest lubrication requirement in the crankshaft engine do not exist. Only the cylinder tube and the seals (piston rings) require small amounts of lubricant. When operated with steam or mixed steam, z. B. from water vapor and benzene, lubrication of the piston can be omitted by oils. The precipitating water during adiabatic decompression is sufficient to lubricate the special piston seals.
  • FIG. 1 shows a power generator system according to the invention with several coupled free-piston engines
  • Figure 2 is a schematic detail view of a generator with a free-piston boxer engine with a rack.
  • Fig. 3 is a schematic view of a free-piston boxer engine with two racks and an intermediate gear
  • Fig. 4 is a schematic detail view of another rack / gear assembly of a free piston boxer engine according to the invention.
  • Fig. 5 is a schematic detail view of an end portion of a cylinder
  • Fig. 6 is a schematic representation of the power transmission in comparison of connecting rod / crankshaft and free piston / gear.
  • FIG. 1 shows an asynchronously operated power generator system 1 with long-stroke free-piston engines according to the invention.
  • Shown is a schematic representation of a multi-cylinder power generator system with a generator 2, which is drawn as an asynchronous generator of conventional design, and with a drive block 3, which consists of four mechanically coupled free-piston engines 5 on a common foundation 4 here.
  • the free piston engines 5 are designed as free piston boxer engines 19, as will be explained in more detail with reference to FIG. 2, and are provided with supply lines 6 for the fuel supply and exhaust pipes 7.
  • the supply lines 6 lead to inlet valves 36, 36a.
  • the exhaust pipes 7 start at exhaust valves 37, 37a.
  • the intake and exhaust valves 36, 36a, 37, 37a are in the cylinder head covers 35, 35a arranged in a known manner and function.
  • the exhaust pipes 7 lead the exhaust gases via a heat exchanger 8 and a filter device 9 to an exhaust 10th
  • the drive block 3 has on the foundation 4 a housing 11 which carries the individual free-piston engines 5 and surrounds the various mechanical components of the drive block 3. These components include u. a. the output shafts 13 of the individual free-piston engines 5, as well as clutches 15, by means of which the output shafts 13 of the individual free-piston engines 5 with each other or with the drive shaft 14 of the generator 2 are non-positively coupled, as shown in Fig. 2.
  • auxiliary equipment such as ignition devices and controls, pumps, fasteners, heat and / or sound insulation, etc. are not shown in the figures.
  • the asynchronous generator 2 has terminals 16, here schematically drawn as a terminal box, where the electrical power is removable.
  • FIG. 2 shows a schematic detail view of a generator 2 and with a free-piston engine 5 according to the invention designed as a boxer engine.
  • a free-piston engine 5 according to the invention designed as a boxer engine.
  • the cylinders 20 of the free-piston boxer engines 19 are shown partially cut in order to increase the clarity.
  • the free-piston boxer engine 19 essentially consists of a cylinder 20, which has two cylinder chambers 21, 21 a located at the ends and aligned with one another in a cylindrical component, as well as one inside the cylinder 20 freely reciprocating free piston 22 has.
  • the free piston 22 comprises two individual piston sections which are each formed from the actual pistons 23, 23a and which are connected to one another via a connecting part 28 in the form of a shaft 30 at their rear sides 29.
  • the pistons 23, 23a have on the front side a piston head 25 and a piston skirt 26 into which a piston seal 27 is incorporated. This usually consists of piston rings.
  • the two ends of the cylinder 20 are each closed with a cylinder head cover 35, 35 a, in each of which an inlet valve 36, 36 a and an outlet valve 37, 37 a are arranged.
  • a cylinder space 21, 21 a is formed in the two end regions of the cylinder, in which the respective piston portion can move back and forth.
  • the distance between the two cylinder head covers 35, 35a minus the total length of the free piston 22 determines the displacement of the free piston boxer engine 19.
  • Control devices for the operation of the valves, fuel pumps and similar auxiliary equipment for the operation of the engine are familiar to the expert. They are not shown for clarity.
  • the shaft 30 of the connecting part 28 of the two pistons 23, 23 a is provided on one of its side surfaces 38 with a toothed rack 32 which has a toothing 33 and which extends substantially over the entire length of the shaft 30.
  • a toothed rack 32 which has a toothing 33 and which extends substantially over the entire length of the shaft 30.
  • This first gear 47 is mounted on the output shaft 13 of the free piston boxer engine 19 via a first freewheel 45 (hidden in the drawing).
  • the first freewheel 45 has a freewheeling direction 53, in which it can exert no torque on the output shaft 13 during rotation and a blocking direction 54 in which it acts non-positively on the output shaft 13 and causes it to rotate.
  • the first gear 47 meshes with a gear 41, which is rotatably mounted together with a further gear 41 a on a shaft 49.
  • the gear 41 a meshes with the reverse gear 52, which is rotatably connected to another shaft 49 a.
  • the reverse gear 52 in turn engages a second gear 48 on the output shaft 13.
  • This second gear 48 is mounted on the output shaft 13 via a second freewheel 46, whose freewheeling direction 53 or blocking direction 54 coincides with that of the first gear 47.
  • a gear 17a is keyed on the output shaft 13, which together with a pinion 17, a transmission 12, the output shaft 13a is connected via a coupling 15 with the drive shaft 14 of the asynchronous generator unit 2.
  • Such a transmission serves to adapt the rotational speed on the output shaft 13 of the piston motor 5 to the speed required for the asynchronous operation of the generator unit 2.
  • the output shaft 13a is provided with a polygon 18 over which Re - not shown here - analog output shafts 13a of additional free-piston boxer engines 19 are rotatably coupled via respective couplings, as shown in Fig. 1.
  • the free piston 22 is periodically moved in the cylinder 20 under the action of the hot and high-pressure gases formed in the cylinder chambers 21, 21a, for example by ignition of the fuel. This takes place in the sense of a periodic oscillation in the direction of the arrows A and B. This linear movement is converted into a continuous rotation of the output shaft 13 of the free-piston boxer engine 19 with a direction of rotation given by the arrow C.
  • the first gear 47 is driven by the toothing 33 of the rack 32 in the direction of arrow C and transmits over the blocking in this direction first freewheel 45 a corresponding torque on the output shaft 13.
  • the first gear also meshes with the other gear 41 and drives the reverse gear 52 via this and the associated parallel gear 41a so that the reverse gear 52 rotates in the same direction (here counterclockwise) as the first gear 47.
  • This rotation is transmitted from the reverse gear 52 to the second gear 48, which is mounted on the same output shaft 13 as the first gear via a second freewheel 46.
  • the second gear 48 is driven in this phase with opposite direction of rotation to the first gear 47, but since the associated second freewheel 46 is operated here in its freewheeling direction, no torque is transmitted to the output shaft 13.
  • This freewheeling direction is the same as that of the first freewheel 45th match.
  • the output shaft thus experiences only a torque from the first gear 47 in the desired direction of rotation according to arrow C.
  • the first gear 47 Upon movement of the free piston in the opposite direction, ie direction according to arrow B, the first gear 47 transmits no torque to the output shaft 13, since the associated first freewheel 45 is acted upon in its freewheeling direction.
  • the first toothed wheel drives the additional toothed wheel 41 and, via the parallel toothed wheel 41a, the reversing toothed wheel 52, but this time in the reverse direction of rotation, ie in the clockwise direction.
  • the reverse gear 52 transmits this rotation to the second gear 48, which is hereby driven in the direction of the arrow C and exerts a corresponding torque on the output shaft 13, since the associated second freewheel 46 is acted upon in its blocking direction.
  • the output shaft 13 of the free piston boxer engine 19 is constantly driven in the desired direction of rotation according to arrow C.
  • the torque transmission takes place alternately once from the first gear 47 directly via the associated first freewheel 45 once indirectly via an arrangement of gears for reversing the direction of rotation and the second gear 48 with the associated freewheel.
  • a further embodiment for the formation of a free-piston boxer engine 19 for an asynchronously operated power plant 1 according to the invention PHg is shown. This design differs in the manner of transmitting the movement of the free piston 22 in a rotational movement of the output shaft 13th
  • the rack 32 of the free piston 22 meshes with an intermediate gear 71, which is mounted on a shaft 72 and bearing 72a in the housing 1 1 (not shown).
  • the intermediate gear 71 engages an intermediate rack 73 - hidden in FIG. 3 - which is part of a rack block 74.
  • the rack block 74 includes two laterally spaced guide rails 75, 75a, between which the intermediate rack 73 is upwardly facing teeth, and two laterally offset rack sections 76, 76a, with downwardly facing teeth.
  • the guide rails 75, 75a each have a longitudinal groove 77, 77a so that they allow on the housing 11 mounted guide pin 78 with bearings 79 a longitudinal displacement of the rack block 73.
  • the intermediate gear 71 transmits the reciprocating motion of the free piston 22 to the rack block 74, reversing the direction of movement due to the intermediate gear 71.
  • the rack and pinion sections 76, 76a also participate in the reciprocating motion, which in turn engage with a toothed rack gear 80 or 81 respectively.
  • a first rack gear 80 is hereby mounted on the output shaft 82 via a first freewheel 83 and meshes with the rack section 76.
  • the blocking direction 54 of the first freewheel 83 is such that the output shaft 82 with the first rack gear only then a torque is transmitted when the rack block 73 is displaced in the direction shown by the arrow A direction.
  • the second rack gear 81 is laterally keyed relative to the first rack gear 80 and offset in the longitudinal direction on another shaft 85, which also rotatably carries another, parallel gear 86.
  • the parallel gear 86 in turn meshes with the Umlenk leopardrad 87, parallel to the first rack gear 80 via a second freewheel 84 is mounted on the output shaft 82.
  • the second freewheel 84 is formed in the same direction to the first freewheel 83 of the first rack gear 80, ie the Umlenk leopardrad 87 blocks when the rack block 74 is moved according to the arrow B in the other direction.
  • the direction of rotation of the output shaft 82 is shown by the arrow C.
  • the rack block 74 is moved by the free piston 22 in the direction of arrow A
  • the first rack gear 80 rotates in the direction of arrow D and drives, since the first freewheel 83 is locked, the output shaft 82, while the Umlenk leopardrad 87 due to the co-rotating second freewheel 84 freely rotated.
  • an output gear 88 is arranged, which is connected to the output shaft 82 via an additional freewheel 89.
  • the output gear 88 drives a pinion 90 on the drive shaft 91, which is mounted with bearings 92, 92 a on the housing 11.
  • the drive shaft 91 is provided at the ends with a polygon 93 or the like to a plurality of juxtaposed free-piston engines 5 by respective clutches 15 rotatably connected to each other or with the drive shaft 14 of the generator 2 to each other, as in the Figure 1 by way of example four free-piston engines 5 is shown.
  • Fig. 4 is a partial view of another preferred embodiment of a free-piston engine is shown. Shown are only one half of the free piston 22 and the arrangement of the gears and freewheels, wherein the second freewheel 84 is hidden, however.
  • the intermediate gear 71 and the guide rails 75, 75a shown in FIG. 3 are dispensed with and the two rack sections 76, 76a are fastened to the side surface 38 of the connecting part 28 directly or by using an intermediate piece.
  • the remaining components required, such as gears, associated shafts and clutches, largely correspond in arrangement and function to the components shown in FIG.
  • the second freewheel 84 is associated with the second rack gear 81 in this embodiment and not the Umlenk leopardrad 87, as is the case in the construction of the free-piston boxer engine shown in Fig. 3.
  • the second rack gear 81 meshing with the second rack portion 76a is offset both laterally and longitudinally from the first rack gear 80 meshing with the first rack 76.
  • this is not mandatory.
  • the two mentioned rack gears 80, 81 are arranged one behind the other without lateral offset, for which naturally the then required single rack must be correspondingly long.
  • a single sufficiently wide rack can be used instead of the two rack sections 76 and 76a arranged in parallel, as shown.
  • a first rack gear 80 is mounted by means of a first freewheel 83 on the output shaft 82 of the free-piston engine, and a Umlenk leopardrad 87 which is rotatably connected to the output shaft 82.
  • the first rack gear meshes with the one rack section 76.
  • the blocking direction 54 of the first free wheel 83 is such that upon movement of the free piston and thus of the rack section 76 in the direction of arrow A, the first free wheel 82 is blocked and thus a torque acting in the direction of rotation C according to the rotational direction on the output shaft 82 exerts.
  • the first freewheel 83 rotates freely in its freewheeling direction 53.
  • a second rack gear 81 via a second freewheel 84 (hidden in the figure) stored, together with a parallel gear 86 which is rotatably connected to the shaft 85.
  • the second freewheel is formed in opposite directions to the first freewheel 83. Consequently, when the rack section 76a is moved, it blocks in the direction of arrow B and moves freely in the direction of arrow A.
  • the parallel gear 86 meshes with the guide gear 87.
  • the rack section 76 drives the first rack gear 80 in the direction of the arrow D and thus in the blocking direction 54 of the first free wheel 83.
  • the first rack gear 80 thus transmits the applied torque to the output shaft 82, which thereby rotates in the desired direction according to arrow C.
  • the other rack portion 76a meshes with the second rack gear 81, but since its (second) freewheel 84 is acted upon in the freewheeling direction, this exerts no torque on the shaft 85 from.
  • Blocking direction of the associated second freewheel 84 is driven. About the wave
  • Umlenk leopardrad 87 transmit, which is rotatably connected to the output shaft 82 and thereby drives them in the desired direction according to arrow C.
  • the output shaft 82 is always driven in the same direction of rotation according to arrow C at each stroke of the free piston, regardless of its movement in the direction of arrow A or arrow B.
  • the structural variant shown in Fig. 4 required compared to the previously described types of construction according to FIGS. 2 and 3, the lowest number of gears and other components. It is therefore particularly compact and robust.
  • FIG. 5 shows a schematic, simplified representation of the end region of a cylinder 20, which is closed with a cylinder head cover 35.
  • the cylinder is shown here, as well as in Figs. 2 and 3, partially in section.
  • the cylinder head cover 5 is provided with an inlet valve 36 and an outlet valve 37 and carries - if necessary - also the spark plug not shown here for the drive medium.
  • a compression spring is provided in the cylinder head cover as spring element 94, by means of which the free piston 22 can be decelerated when approaching the end of its stroke and accelerated in the opposite direction.
  • FIG. 6 serves to illustrate the difference between the torque transmission in an engine with crankshaft and a free-piston engine according to the invention.
  • the angle of attack of the connecting rod 112 on the crankshaft 11 1 periodically changes between a value of "zero degrees" and a maximum value reached at top dead center 1 15 (left part of Fig. 6a), in which the fuel mixture in the cylinder 20 is ignited and the maximum pressure prevails, or at the bottom dead center, not shown, at which the maximum piston stroke is reached. Since the angle of attack and with the effective lever arm on the crankshaft 1 11 are small in these areas, the transmission of the resulting torque (force x lever arm) is small. As the combustion gases continue to expand, the lever arm initially becomes larger, but the gases already have substantially less pressure.
  • the connecting rod engages 1 12 always at an angle which is smaller than 90 °, on the crankshaft 1 11 (middle and right panel in Fig. 6a). Overall, therefore, the transmission of the reciprocating motion of the piston 23 in a rotary motion is not optimal.
  • a free-piston engine 5 which is embodied according to the invention as a free-piston boxer engine
  • the rack 32 arranged on the connecting part 28 of the free piston 22 engages the first gear 47 at an invariable angle in all phases of the lifting movement, as in FIG. 6b for a piston is shown schematically.
  • the power transmission takes place in all phases of the piston movement with a maximum and constant lever arm, which is given by the radius 116 of the first gear 47. This means that the power transmission from the free piston 22 to the output shaft 13 of the free-piston engine 5 for generating a torque always runs under optimal conditions.
  • Fig. 6c the curve of the transmitted torque for a crankshaft engine and for a free-piston engine according to the invention is shown schematically.
  • Horizontal is the angle of rotation for a full revolution of the driven shaft is applied and perpendicular to the respective transmitted torque in relative, arbitrary units.
  • the curve A for the engine with crankshaft periodically changes between the value "zero" and a maximum value.
  • a constant maximum value results according to curve B.

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Abstract

Eine Stromgeneratoranlage (1) mit einem asynchronen Generator (2) und einem Antrieb über Freikolben-Boxermotoren (19) wird beschrieben. Die Freikolbenmotoren (5) besitzen eine besonders robuste und wirkungsvolle Bauart, insbesondere im Hinblick auf die Umwandlung der linearen Bewegung des Freikolbens (22) in ein Drehmoment zum Antrieb des 10 Generators (2), die in verschiedenen Varianten vorgestellt wird.

Description

Asynchroner Stromgenerator mit Freikolbenmotor
Die Erfindung betrifft eine Stromgeneratoranlage mit einem asynchron betriebenen Gene- rator und mindestens einem Freikolbenmotor als Antrieb.
Asynchron betriebene Stromgeneratoren sind seit langem bekannt. Sie dienen bevorzugt zur Erzeugung von Drehstrom, da sie relativ einfach im Aufbau und in der Betriebsweise sind. Sie werden in vielen verschiedenen Baugrößen hergestellt und in Generatoranlagen eingesetzt.
Als Antriebe für solche Generatoren, die üblicherweise über eine rotierende Welle mit Drehmoment versorgt werden, sind neben Turbinen, die mit Wasserkraft oder Verbrennungsgasen betrieben werden, Verbrennungsmotoren verschiedener Bauart im Gebrauch. Insbesondere sind für kleine oder mittlere Nennleistungen (1 kW bis 1 MW) Diesel- oder Ottomotoren im Einsatz. Diese Kurbelwellenmotoren haben jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad, der unter anderem durch die ungünstige Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine für den Antrieb des Generators erforderliche Rotation liegt. Aus diesem Grund werden solche Motoren im Wesentlichen nur für kleinere Aggre- gate, für autonome Stromversorgungen, etwa in abgelegenen Gebieten oder auf Schiffen, oder für Notstromaggregate verwendet.
Eine vom Prinzip des Kurbelwellenmotors verschiedene Art der Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in eine Rotation bzw. in ein Drehmoment bietet der so genannte Frei- kolbenmotor. Bei diesem wird die z. B. über die Expansion von Verbrennungsgasen erzeugte lineare Bewegung eines Kolbens ohne Verwendung eines Pleuels und einer Kurbelwelle in ein Drehmoment umgewandelt. Diese Umwandlung erfolgt über mechanische Kopplungen oder Getriebe, bei denen die Kolbenkraft in allen Phasen des Kolbenhubs stets unter demselben, optimalen Angriffswinkel übertragen wird. Hierdurch ergibt sich gegenüber dem Kurbelwellenmotor eine merkliche Erhöhung des erzielbaren Wirkungsgrads. Eine für den Betrieb und die Steuerung besonders günstige Bauform von Freikolbenmotoren bietet der Freikolben-Boxermotor, bei dem zwei an ihren Rückseiten starr miteinander verbundene Kolben in zwei koaxial zueinander ausgerichteten Zylindern eine abwechselnde Hin- und Herbewegung ausführen. Der jeweilige obere Totpunkt der Hubbewe- gung eines Kolbens entspricht hierbei dem unteren Umkehrpunkt/Totpunkt des anderen Kolbens. Derartige Freikolben-Boxermotoren sind bspw. aus der DE 42 01 569 bekannt. Bei dem dort anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Zweitakt-Boxermotor ist in dem die beiden Zylinder verbindenden Gehäuse die Abtriebswelle des Motors drehbar gelagert. Die beiden Zylinder sind mittels einer Schubstange miteinanderstarr verbunden, wo- bei die Schubstange auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen mit Zahnstangen versehen ist. Die Zahnstangen sind jeweils mit einem Zahnrad wirkverbunden, das mittels eines Freilaufs mit einem auf der Abtriebswelle gelagerten Abtriebszahnrad steht. Durch abwechselnde Kraftübertragung von dem einen oder dem anderen Zahnrad wird die Hinundherbewegung der Freikolben in eine reine gleichsinnige Rotation an der Abtriebswelle umgewandelt. Ähnliche Konstruktionen mit mehreren Zahnstangen sind auch in der DE 35 31 862 A1 und der DE 10 2006 003 026 A1 beschrieben.
Eine weitere Variante eines Freikolbenmotors ist in der DE 202 18 731 U1 gezeigt. Die in einem Stockgehäuse angeordnete Abtriebswelle trägt zwei Zahnräder, die jeweils mittels zugehöriger Freiläufe auf ihr gelagert sind. Sie befinden sich im Inneren des die beiden Kolben verbindenden, aus zwei Teilen bestehenden Stocks und des Stockgehäuses. An jedem der beiden Teilstöcke, von denen einer oberhalb und der andere unterhalb der Zahnräder angeordnet ist, ist eine Zahnstange befestigt, die jeweils mit einem der beiden Zahnräder kämmt. Bei Hin- und Herbewegung der Kolben in den Zylindern wird die Ab- triebswelle abwechselnd über eine Zahnstange und das jeweils in Blockierrichtung des Freilaufs beaufschlagte Zahnrad in einem bestimmten Drehsinn angetrieben. Das jeweils andere Zahnrad wird in Freilaufrichtung angetrieben und übt deshalb kein Drehmoment auf die Abtriebswelle aus.
Die in der DE 202 18 731 111 beschriebene Konstruktion ist problematisch, da wegen der beengten Platzverhältnisse im Stockraum nur relativ kleine und damit wenig robuste Bauteile zulässt. Dadurch besteht die Gefahr des Materialbruchs bei den im Betrieb auftretenden hohen Belastungen. Auch sind die Zugänglichkeit und die Möglichkeit der Inspektion des Antriebs nicht zufriedenstellend. Eine weitgehend ähnliche Konstruktion ist auch in der DE 33 31 404 A1 gezeigt, die bereits den Einsatz zum Antrieb eines nicht näher spe- zifizierten Hilfsstromerzeugers vorschlägt. Diese Konstruktion des Freikolbenantriebs krankt jedoch an denselben Mängeln, wie diejenige nach der DE 202 18 731 U1.
Die DE 44 47 138 A1 betrifft eine Stromgeneratoranlage mit einem als Freiflugkolbenma- schine bezeichneten Motorantrieb, dieser weist jedoch ein Pleuel und eine Kurbelwelle auf und ist somit kein Freikolbenmotor im Sinne der Erfindung. Die DE 102 41 101 A1 zeigt einen Stromgenerator mit Antrieb über Freikolbenmotore, bei der ein geradlinig hin und her bewegter Läufer in Statorwicklungen einen Strom erzeugt. Für die Umwandlung des pulsierenden Stroms in einen für Verbraucher nutzbaren Stromverlauf sind aufwendi- ge Maßnahmen erforderlich. Die in der DE 43 15 229 beschriebene Generatoranlage, bei der ein Freikolbenantrieb zwei hin und her schwenkende Läufer antreibt, verwendet eine Synchronwechselstrommaschine und ist als Hilfsaggregat in einem Kraftfahrzeug konzipiert. Ein Getriebe zur Umwandlung der Freikolbenbewegung in eine reine Rotation ist nicht erwähnt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromgeneratoranlage mit einem Freikolbenmotor anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad hat und deren Antrieb eine besonders robuste und gut zugängliche Konstruktion aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Stromgeneratoranlage mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
Nach Anspruch 1 verwendet die erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage einen asynchron betriebenen Generator, der bevorzugt als Drehstrom-Asynchrongenerator üblicher Bauart vorgesehen ist. Solche Asynchrongeneratoren sind in einem großen Bereich von verschiedenen Nennleistungen serienmäßig erhältlich. Ihre allgemeinen Betriebscharakteristiken und Vorteile sind bekannt und brauchen deshalb hier nicht näher erläutert werden. Sie besitzen eine Antriebswelle, über die ein Drehmoment und damit die Antriebsleistung auf den Rotor übertragbar sind. Über die Wicklungen des Ständers wird hieraus ein elektrischer Strom erzeugt, der üblicherweise als dreiphasiger Drehstrom an den Ausgangsklemmen des Asynchrongenerators abnehmbar ist.
Nach der Erfindung dient ein spezieller Freikolbenmotor als Antrieb für den Generator. Dieser ist als Freikolben-Boxermotor ausgebildet, bei dem zwei an ihren Rückseiten mit- tels eines - bevorzugt massiven - Verbindungsteils verbundene Kolben in je einem Zylinderraum gleitend hin- und her bewegbar sind. Die beiden Zylinderräume sind an ihren jeweiligen Enden abgeschlossen - bevorzugt mit einem Zylinderkopfdeckel - und fluchten miteinander. Da im Betrieb die Kolben abwechselnd durch ein Antriebsmedium mit Druck beaufschlagt werden, führen sie - über das Verbindungsteil kraftschlüssig gekoppelt - lineare Hin- und Herbewegungen aus.
An einer seitlichen Außenfläche des robusten und bevorzugt einstückig mit den beiden Kolben ausgebildeten Verbindungsteils ist erfindungsgemäß eine Zahnung vorhanden. Diese kann auch in Form einer separaten Zahnstange vorgesehen sein, die mit dem Verbindungsteil bspw. durch Schrauben fest verbunden ist. Diese Bauform wird im Allgemeinen zu bevorzugen sein, da sie einen leichten und relativ kostengünstigen Austausch dieses Bauteils bei Verschleiß oder Bruch der Zähne gestattet. Durch eine geeignete Formgebung der Zahnstange und der zugehörigen Montagefläche am Verbindungsteil, etwa mit Stufen/Nuten oder Ausbildung als Schwalbenschwanzverbindung, wird eine robuste Konstruktion mit optimaler Kraftübertragung erreicht.
Die erfindungsgemäße Zahnung bzw. Zahnstange (im Folgenden wird hierfür nur „Zahnung" erwähnt) kämmt mit mindestens einem auf ein einer drehbar gelagerten Welle an- geordnetes Zahnrad, welches unter der Einwirkung der Zahnung unmittelbar in Drehung versetzbar ist. Dieses Zahnrad ist somit das erste Bauteil des Freikolben-Boxermotors, an dem eine Umwandlung der schwingungsartigen Hin- und Herbewegung des Freikolbens in eine Rotation und damit in ein Drehmoment erfolgt. Diese Rotation erfolgt nach Maßgabe der Freikolbenbewegung, wobei unter „Freikolben" die Einheit aus den beiden KoI- ben und dem Verbindungsteil zu verstehen ist, abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung. Sie ist deshalb noch nicht ohne weiteres zur Erzeugung eines nur in einem Drehsinn wirkenden Drehmoments nutzbar. Wie diese Umwandlung erfolgt, wird im Folgenden anhand verschiedener konstruktiver Varianten erläutert.
Da die erfindungsgemäße Zahnung/Zahnstange immer an der der Peripherie des Zahnrads angreift, also stets mit einem gleichbleibenden, maximalen Hebelarm in Bezug auf die das Zahnrad tragende Welle, sind die Verhältnisse für die Kraftübertragung in allen Bewegungsphasen des Freikolbens immer gleich und immer auf dem höchsten möglichen Wert. Die Umwandlung der linearen Kolbenbewegung in ein Drehmoment erfolgt somit immer unter optimalen Bedingungen. Damit die Zahnung und das Zahnrad in Eingriff gelangen können, ist es nach Anspruch 2 erforderlich, dass das Zahnrad durch eine seitliche Öffnung des bevorzugt zylindrisch ausgebildeten Verbindungsbereichs zwischen den beiden Zylinderräumen in das Innere des Verbindungsbereichs hineinragt. In einer alternativen konstruktiven Variante kann das Verbindungsteil, oder zumindest dessen die Zahnung tragender Bereich, durch eine entsprechende Öffnung in den Außenraum ragen und dort mit dem Zahnrad oder mehreren Zahnrädern kämmen. In beiden Fällen steht für die Zahnung und das Zahnrad (bzw. die Zahnräder) genügend Raum zur Verfügung, damit diese hinreichend groß und robust ausgebildet werden können.
Räumliche Einschränkungen, wie sie bei dem eingangs geschilderten Stand der Technik auftreten, sind damit überwunden. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Freikolben- Boxermotors gibt dem Konstrukteur auch mehr Freiheit für die Gestaltung und Anordnung der weiteren Elemente zur Umwandlung der hin- und hergehenden Rotation des im An- spruch 1 genannten Zahnrads in eine kontinuierliche gleichsinnige Drehung. Über diese weiteren Elemente, etwa einen Freilauf, der nach Anspruch 3 der Lagerung dieses Zahnrads dient, und zusätzliche Zahnräder/Freiläufe, kann dieses Zahnrad unmittelbar gemäß Anspruch 4 oder mittelbar mit der Abtriebswelle des Freikolben-Boxermotors in Wirkverbindung stehen.
Da die Zahnräder und sonstigen beweglichen Bauteile des Freikolben-Boxermotors - außer den eigentlichen Kolben mit dem Verbindungsteil - außerhalb des zylindrischen Bauteils liegen, oder zumindest über eine Öffnung in diesem zugänglich sind, ist auf einfache Weise eine Schmierung dieser Teile möglich. Sie lassen sich auch ohne weiteres inspizie- ren und bei Bedarf austauschen, ohne dass ein die einzelnen Zylinder verbindendes Stockgehäuse, wie es beim Stand der Technik gemäß der DE 202 18 731 U1 vorgesehen ist, geöffnet werden müsste.
In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 5 kämmt das mittels eines ersten Freilaufs auf der Abtriebswelle gelagerte Zahnrad mit einem weiteren Zahnrad, das zusammen mit einen parallelen Zahnrad auf einer von der Abtriebswelle beabstandeten Welle drehfest (bezüglich dieser Welle) gelagert ist. Das parallele Zahnrad treibt ein Umkehrzahnrad an, das zur Umkehr des Drehsinns erforderlich ist, welches ein zweites, ebenfalls über einen zweiten Freilauf auf der Abtriebswelle parallel zu dem mindestens einen Zahnrad gelagert ist. Dieser zweite Freilauf ist gleichläufig mit dem ersten Freilauf, d.h. er blockiert das Zahnrad in Bezug auf die Welle oder gibt es frei bei demselben Dreh- sinn wie der erste Freilauf. Mit dieser in den Fig. 2 und 3 dargestellten Konfiguration erfährt die Abtriebswelle bei jedem Hub des Freikolbens ein ausschließlich in dem gewünschten Drehsinn wirkendes Drehmoment, wie bei der Beschreibung des entsprechenden Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert wird. Der Drehsinn ergibt sich hierbei zwangläufig aus der übereinstimmenden Blockierrichtung der beiden verwendeten Freiläufe.
Der Anspruch 6 betrifft eine Abwandlung der dem Anspruch 5 zugrundeliegenden Konstruktion, bei der zwei Zahnräder unmittelbar mit der Zahnung/Zahnstange in Eingriff ste- hen. Diese beiden Zahnräder können in Bezug auf die Zahnung/Zahnstange entweder nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein, wobei jedes eine eigene Welle besitzt. Für das eine Zahnrad ist dies bevorzugt die Abtriebswelle des Freikolbenmotors, auf der das eine Zahnrad über einen ersten Freilauf gelagert ist. Das andere Zahnrad treibt - entweder unmittelbar oder über ein zu ihm paralleles, drehfest auf derselben Welle gela- gertes weiteres Zahnrad - ein zweites Zahnrad an, das ebenfalls über einen zweiten Freilauf bevorzugt auf der Abtriebswelle gelagert ist. Der zweite Freilauf wirkt gleichsinnig wie der erste Freilauf, d. h. er hat dieselbe Blockier- bzw. Freilaufrichtung wie dieser. Auch hiermit wird die Hin- und Herbewegung des Freikolbens in eine stets gleichsinnig wirkende Drehbewegung überführt. Diese Bauform benötigt die wenigsten Teile und ist sehr kompakt. Sie lässt sich deshalb kräftig und robust gestalten, so dass die Zahnung sowohl der Zahnräder als auch der Zahnstange, die im Betrieb besonders starken Belastungen ausgesetzt sind, entsprechend dimensioniert werden kann. Dies gilt natürlich auch für die Variante nach Anspruch 5, die einen ähnlich kompakten Aufbau besitzt.
Bei den Bauformen nach den Ansprüchen 5 und 6 ist es nicht zwingend erforderlich den zweiten Freilauf mit dem zugehörigen Zahnrad auf der Abtriebsachse anzuordnen. Der Freilauf kann im Rahmen der Erfindung auch zur Lagerung des zweiten von der Zahnstange unmittelbar angetriebenen Zahnrads oder eines hierzu auf derselben Welle angeordneten, parallelen Zahnrads dienen. Hierbei ist jedoch eine korrekte Anordnung der Blockier- bzw. der Freilaufrichtung des Freilaufs zu achten, damit die Abtriebswelle von beiden auf ihr befindlichen Zahnrädern stets nur in einem Drehsinn angetrieben wird. Wird bspw. ein zweites Zahnrad gemäß Anspruch 6 von der Zahnung/Zahnstange des Freikolbens direkt angetrieben, so ist ein diesem Zahnrad zugeordneter Freilauf gegensinnig zu demjenigen des ersten Zahnrads, das auf der Abtriebswelle mittels eines Frei- laufs gelagert ist, auszulegen. Durch geschickte Anordnung des zweiten Freilaufs ist es möglich die Verteilung der zu beschleunigenden und abzubremsenden Massen für jede Richtung des Freikolbenhubs zumindest annähernd gleich zu machen. Diese Maßnahme hat günstige Auswirkungen auf das Laufverhalten des Freikolbenmotors und die dynamischen Beanspruchungen der Bauteile.
Eine weitere konstruktive Möglichkeit ist im Anspruch 7 angegeben. Bei dieser Ausführung treibt die Zahnung/Zahnstange über das eine Zahnrad, das als Zwischenzahnrad dient und drehfest, d. h. ohne Freilauf, auf seiner Welle gelagert ist, einen Zahnstangenblock an. Der Zahnstangenblock ist hierfür auf seiner Oberseite mit einer Zwischenzahnstange versehen, deren Zahnung mit derjenigen der Zahnung/Zahnstange des Frei- kolbens korrespondiert. Der Zahnstangenblock führt unter der Einwirkung des Zwischenzahnrads eine lineare Hin- und Herbewegung aus, deren Richtung wegen des Zwischenzahnrads entgegengesetzt zu derjenigen der Zahnung/Zahnstange des Freikolbens erfolgt. Hierfür weist der Zahnstangenblock eine geeignete Lagerung auf, bspw. über Führungsschienen und Führungszapfen mit Wälzlagern. Der Zahnstangenblock treibt über zwei auf seiner Unterseite (der dem Zwischenzahnrad abgewandten Seite) angeordnete Zahnstangenabschnitte zwei getrennt auf zugehörigen Wellen gelagerte Zahnräder an. Diese entsprechen in der Anordnung und Funktion den beiden Zahnrädern, die nach Anspruch 6 unmittelbar von der Zahnung/Zahnstange angetrieben werden. Einzelheiten hierzu werden im Zusammenhang mit der Beschreibung des Ausführungsbeispiels an- hand Fig. 3 erläutert.
Nach Anspruch 8 sind in den Endbereichen der Zylinder Federmittel vorgesehen. Diese sind bevorzugt als Druckfedern ausgebildet und dienen dazu, die Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts ihres Hubes abzubremsen bzw. zu beschleunigen. Hierbei wird die ki- netische Energie des Kolbens in der Feder gespeichert bzw. bei Richtungsumkehr der Bewegung von ihr abgegeben. Dadurch wird eine verbesserte Ausnutzung der Kolbenkraft und damit des Treibstoffs erreicht.
Nach den Ansprüchen 9 bis 11 ist es vorteilhaft die Kopplung der Abtriebswelle des Frei- kolbenmotors mit der Antriebswelle des Generators über ein Getriebe zu gestalten, da hierdurch eine Anpassung der Drehzahlen ermöglicht wird. Somit lassen sich sowohl der Freikolbenmotor als auch der Generator im optimalen Frequenz/Drehzahlbereich betreiben. Das oder die Getriebe können im Rahmen der Erfindung beliebiger Bauart, bspw. mit Zahnrädern oder stufenlos einstellbar, und mit weiteren Freiläuf(en) und/ oder Kupp- lung(en) versehen sein. Eine Ausgestaltung der Stromgeneratoranlage nach den Ansprüchen 12 und 13, bei der mehrere Freikolben-Boxermotoren zusammenkoppelbar sind, bietet die Möglichkeit zum einen die Leistung der Anlage gestuft zu erhöhen oder abzusenken und zum anderen die maximale Nennleistung unter Einsatz von standardisierten, einzelnen Freikolben- Boxer- motoren festzulegen. Gegenüber üblichen Kurbelwellenmotoren, bei den immer sämtliche Zylinder/Kolben in Betrieb sein müssen, ist dies ein Vorteil, da je nach Leistungsbedarf einzelne Freikolben-Boxermotoren zu- oder abgeschaltet werden können. Die stillgelegten Motoren haben weder einen Treibstoffverbrauch noch unterliegen sie Verschleiß, während die im Betrieb befindlichen Motoren in einem günstigen Arbeitsbereich betrieben werden können.
Eine solche Konzeption der Stromgeneratoranlage eignet sich besonders für Kleinkraftwerke, die bspw. im dezentralen, autonomen Einsatz, d. h. unabhängig von einem übergeordneten Stromnetz, verwendet werden. Hier ist die erfindungsgemäße, einfache An- passung der Größe bzw. der Leistung der Stromgeneratoranlage von Vorteil. Natürlich ist mit den erfindungsgemäßen Stromgeneratoranlagen auch eine Einspeisung in vorhandene Stromnetze möglich, wozu natürlich eine Steuereinrichtung für die Einstellung der korrekten Frequenz und Phasenlage des eingespeisten Stroms erforderlich ist.
In der Stromgeneratoranlage nach der Erfindung werden bevorzugt Langhub- Freikolbenmotoren eingesetzt, da diese in Verbindung mit den Betriebscharakteristiken von asynchron betriebenen Generatoren einen in Bezug auf den Wirkungsgrad optimalen Betrieb erlauben. Hierzu werden Langhub-Zylinder verwendet, deren Hubweg wesentlich länger als der Zylinder-Innendurchmesser ist. Im Betrieb lässt sich hierdurch der im ZyMn- derraum herrschende Druck bis auf ca. 1 bar Überdruck abbauen und in Drehmoment an der Abtriebswelle des Freikolbenmotors umwandeln. Dadurch sind gegenüber herkömmlichen Motoren mit Kurbelwellenantrieb Leistungsgewinne von bis zu 30% erzielbar.
Die Geschwindigkeit des Freikolbens kann während des gesamten Hubwegs annähernd konstant gehalten werden, abgesehen von den Beschleunigungs- bzw. Bremsphasen in der Nähe der Umkehrpunkte der Bewegung. Dies bedeutet eine annähernd gleichbleibende Drehzahl an der Abtriebswelle. Kleinere Abweichungen der Drehzahl haben wegen der Charakteristik von asynchron betriebenen Stromgeneratoren nur einen minimalen Ein- fluss auf die Stromerzeugung. Durch geeignete Auslegung der Betriebsparameter lassen sich niedrige Geschwindigkeiten der Freikolbenbewegung bis herunter zu 1 m/sec erreichen. Dadurch können einzelne Prozesse, wie z. B. das Auspressen der dekomprimierten Treibgase durch das Auslassventil und das Einführen der Treibgase durch das Einlassventil nahezu verlustfrei durch- geführt werden. Ebenso ist es möglich, einen derartigen Freikolbenmotor im Niedertemperaturbereich zu betreiben und bei Verwendung von Wasserdampf oder Mischdampf einen energiegünstigen Kreisprozess zu erreichen.
Freikolbenmotoren eignen sich für den Einsatz von verschiedenartigen Betriebsstoffen, wie etwa von Hochdruck-Wasserdampf oder von Verbrennungsgasen aus der Zündung von brennbaren Gasen oder Flüssigkeiten. Zumischung von anderen Medien, bspw. von Benzol in einer bestimmten Phase der Expansion der Treibgase, erlaubt eine bessere Prozessführung und damit eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades.
Bei Betrieb des Freikolben-Boxermotors mit Explosionsgasen werden diese bevorzugt in einer den Zylinderräumen vorgeschalteten Explosionskammer extern erzeugt. Die so erzeugten, unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Treibgase werden den Zylinderräumen über die Einlassventile zugeführt. Auch hier findet über den langen Hubweg eine adiabatische Dekompression statt, bei der die Temperatur den sinkenden Druck folgt und die Abgastemperatur einen relativ niedrigen Wert erreicht. Natürlich ist auch ein Betrieb als Zweitaktmotor mit abwechselnder Zündung eines explosionsfähigen Gemisches in den beiden Zylinderräumen nach Art eines Otto- oder Dieselmotors möglich und vom Erfindungsgedanken umfasst.
Die rein axiale Bewegung des Freikolbens bewirkt mehrere Vorteile gegenüber der Kurbelbewegung. Zunächst sind die Querkräfte, welche auf den Kolben und die Kolbenstange/Zahnstange wirken klein. Dies bezieht sich sowohl auf die Wirkung der Gas- wie auf die der Massenkräfte. Es gibt kein schräg stehendes Pleuel, das den Kolben kippen lässt bzw. einseitig mit der Zylinderwand zur Anlage bring, wobei hohe Reibkräfte auftreten. Diese bringen Verschleiß und Einbußen im Wirkungsgrad mit sich. Auch ist die Schmierung des Freikolbenmotors unkritisch, weil keine Relativbewegungen unter hohen Belastungen erfolgen. Lager, die beim Kurbelwellenmotor den höchsten Schmierungsbedarf haben, existieren nicht. Lediglich das Zylinderrohr und die Dichtungen (Kolbenringe) benötigen geringe Mengen Schmierstoff. Bei Betrieb mit Wasserdampf bzw. Mischdampf, z. B. aus Wasserdampf und Benzol, kann eine Schmierung der Kolben durch Öle entfallen. Das bei der adiabatischen Dekomprimierung ausfallende Wasser reicht aus, um die speziellen Kolbendichtringe zu schmieren.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird die Stromgeneratoranlage gemäß der Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Stromgeneratoranlage mit mehreren gekoppelten Freikol- benmotoren;
Fig. 2 eine schematisierte Detailansicht eines Generators mit einem Freikolben- Boxermotor mit einer Zahnstange;
Fig. 3 eine schematisierte Ansicht eines Freikolben-Boxermotors mit zwei Zahnstangen und einem Zwischenzahnrad;
Fig. 4 eine schematisierte Detailansicht einer weiteren Zahnstangen/Zahnradanordnung eines Freikolben-Boxermotors nach der Erfindung;
Fig. 5 eine schematisierte Detailansicht eines Endbereiches eines Zylinders;
Fig. 6 eine schematisierte Darstellung der Kraftübertragung im Vergleich von Pleuel/Kurbelwelle und Freikolben/Zahnrad.
In der Fig. 1 ist eine asynchron betriebene Stromgeneratoranlage 1 mit Langhub- Freikolbenmotoren nach der Erfindung dargestellt. Gezeigt ist in schematisierter Darstellung eine Mehrzylinder-Stromgeneratoranlage mit einem Generator 2, der als asynchronen Generator üblicher Bauart gezeichnet ist, sowie mit einem Antriebsblock 3, der hier aus vier mechanisch gekoppelten Freikolbenmotoren 5 auf einem gemeinsamen Fundament 4 besteht. Die Freikolbenmotoren 5 sind als Freikolben-Boxermotoren 19 ausgebildet, wie anhand der Fig. 2 näher erläutert wird, und sind mit Versorgungsleitungen 6 für die Treibstoffzufuhr und Abgasleitungen 7 versehen. Die Versorgungsleitungen 6 führen zu Einlassventilen 36, 36a. Die Abgasleitungen 7 beginnen an Auslassventilen 37, 37a. Die Einlass- und die Auslassventile 36, 36a bzw. 37, 37a sind in den Zylinderkopfdeckeln 35, 35a in bekannter Weise und Funktion angeordnet. Die Abgasleitungen 7 leiten die Abgase über einen Wärmetauscher 8 und eine Filtereinrichtung 9 zu einem Auspuff 10.
Der Antriebsblock 3 weist auf dem Fundament 4 ein Gehäuse 11 auf, das die einzelnen Freikolbenmotoren 5 trägt und die verschiedenen mechanischen Bauteile des Antriebsblocks 3 umgibt. Diese Bauteile umfassen u. a. die Abtriebswellen 13 der einzelnen Freikolbenmotoren 5, sowie Kupplungen 15, mittels derer die Abtriebswellen 13 der einzelnen Freikolbenmotoren 5 miteinander bzw. mit der Antriebswelle 14 des Generators 2 kraftschlüssig koppelbar sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Für den Betrieb der Freikolbenmotoren erforderliche Hilfsaggregate, wie Zündeinrichtungen und Steuerungen, Pumpen, Befestigungselemente, Wärme- und/oder Schallisolierungen etc. sind in den Figuren nicht dargestellt.
Der asynchrone Generator 2 besitzt Klemmen 16, hier schematisch als Klemmkasten ge- zeichnet, an denen die elektrische Leistung abnehmbar ist.
Einzelheiten der Steuerung der Stromerzeugung mittels asynchronen Generatoren 2 und des Betriebs der Freikolbenmotoren 5 sind dem Fachmann geläufig und werden deshalb hier nicht weiter erläutert.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Detailansicht eines Generators 2 und mit einem als Boxermotor ausgebildeten Freikolbenmotor 5 nach der Erfindung. In dieser sowie den folgenden Darstellungen sind die Zylinder 20 der Freikolben-Boxermotoren 19 teilweise geschnitten gezeigt um die Anschaulichkeit zu erhöhen.
Wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist, besteht der Freikolben-Boxermotor 19 im Wesentlichen aus einem Zylinder 20, der in einem zylindrischen Bauteil zwei an den Enden befindliche und miteinander fluchtende Zylinderräume 21 , 21a, sowie einen im Inneren des Zylinders 20 frei hin und her beweglichen Freikolben 22 aufweist. Der Freikolben 22 umfasst zwei einzelne Kolbenabschnitte die jeweils aus den eigentlichen Kolben 23, 23a gebildet sind und die über ein Verbindungsteil 28 in Form eines Schaftes 30 an ihren Rückseiten 29 miteinander verbunden sind. Die Kolben 23, 23a besitzen auf der Vorderseite einen Kolbenboden 25 sowie einen Kolbenmantel 26 in den eine Kolbendichtung 27 eingearbeitet ist. Diese besteht üblicherweise aus Kolbenringen. Die beiden Enden des Zylinders 20 sind jeweils mit einem Zylinderkopfdeckel 35, 35a abgeschlossen, in dem jeweils ein Einlassventil 36, 36a und ein Auslassventil 37, 37a angeordnet sind. In den beiden Endbereichen des Zylinders ist je ein Zylinderraum 21 , 21 a gebildet, in dem sich der jeweilige Kolbenabschnitt hin und her bewegen kann. Der Abstand zwischen den beiden Zylinderkopfdeckeln 35, 35a abzüglich der Gesamtlänge des Freikolbens 22 bestimmt den Hubraum des Freikolben-Boxermotors 19. Steuereinrichtungen für die Betätigung der Ventile, Treibstoff pumpen und ähnliche Hilfsaggregate für den Betrieb des Motors sind dem Fachmann geläufig. Sie sind zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Der Schaft 30 des Verbindungsteils 28 der beiden Kolben 23, 23a ist an einer seiner Seitenflächen 38 mit einer Zahnstange 32 versehen, die eine Zahnung 33 aufweist, und die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Schaftes 30 erstreckt. Im mittleren Bereich des Zylinders 20 - außerhalb der von den Kolben 23, 23a überstrichenen Zylinder- räume 21 , 21a - befindet sich eine Öffnung 39 (s. Fig. 3), durch die ein erstes Zahnrad 47 in Eingriff mit der Zahnung 33 der Zahnstange 32 steht. Dieses erste Zahnrad 47 ist auf der Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 über einen ersten Freilauf 45 (in der Zeichnung verdeckt) gelagert. Der erste Freilauf 45 besitzt eine Freilaufrichtung 53, in welcher er bei Drehung kein Drehmoment auf die Abtriebswelle 13 ausüben kann und ei- ne Blockierrichtung 54, in welcher er kraftschlüssig auf die Abtriebswelle 13 einwirkt und diese in Drehung versetzt.
Das erste Zahnrad 47 kämmt mit einem Zahnrad 41 , das zusammen mit einem weiteren Zahnrad 41 a auf einer Welle 49 drehfest gelagert ist. Das Zahnrad 41 a kämmt mit dem Umkehrzahnrad 52, das mit einer weiteren Welle 49a drehfest verbunden ist. Das Umkehrzahnrad 52 steht seinerseits mit einem zweiten Zahnrad 48 auf der Abtriebswelle 13 in Eingriff. Dieses zweite Zahnrad 48 ist über einen zweiten Freilauf 46 auf der Abtriebswelle 13 gelagert, dessen Freilaufrichtung 53 bzw. Blockierrichtung 54 mit derjenigen des ersten Zahnrads 47 übereinstimmt.
Nach Fig. 2 ist auf der Abtriebswelle 13 ein Zahnrad 17a aufgekeilt, das zusammen mit einem Ritzel 17 ein Getriebe 12 darstellt, dessen Abtriebswelle 13a über eine Kupplung 15 mit der Antriebswelle 14 des asynchronen Generatoraggregats 2 verbunden ist. Ein derartiges Getriebe dient zur Anpassung der Drehzahl an der Abtriebswelle 13 des Frei- kolbenmotors 5 an die für den asynchronen Betrieb des Generatoraggregats 2 erforderliche Drehzahl. Die Abtriebswelle 13a ist mit einem Mehrkant 18 versehen, über den weite- re - hier nicht dargestellte - analoge Abtriebswellen 13a von zusätzlichen Freikolben- Boxermotoren 19 über entsprechende Kupplungen drehfest ankoppelbar sind, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.
Im Betrieb des Freikolben-Boxermotors 19 in einer Stromgeneratoranlage 1 nach der Erfindung wird der Freikolben 22 unter der Einwirkung der in den Zylinderräumen 21 , 21a beispielsweise durch Zündung des Treibstoffs gebildeten heißen und unter hohem Druck stehenden Gase periodisch im Zylinder 20 hin und her bewegt. Dies geschieht im Sinne einer periodischen Schwingung in Richtung der Pfeile A bzw. B. Diese lineare Bewegung wird in eine kontinuierliche Drehung der Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 mit einem durch den Pfeil C gegebenen Drehsinn überführt. Bei Bewegung des Freikolbens 22 in Richtung des Pfeils A wird das erste Zahnrad 47 von der Zahnung 33 der Zahnstange 32 im Sinne des Pfeils C angetrieben und überträgt über den in dieser Drehrichtung blockierenden ersten Freilauf 45 ein entsprechendes Drehmoment auf die Ab- triebswelle 13. Das erste Zahnrad kämmt auch mit dem weiteren Zahnrad 41 und treibt über dieses und das zugehörige parallele Zahnrad 41a das Umkehrzahnrad 52 derart an, dass das Umkehrzahnrad 52 in derselben Richtung (hier entgegen dem Uhrzeigersinn) wie das erste Zahnrad 47 dreht. Diese Drehung wird vom Umkehrzahnrad 52 auf das zweite Zahnrad 48 übertragen, das auf derselben Abtriebswelle 13 wie das erste Zahnrad über einen zweiten Freilauf 46 gelagert ist. Zwar wird das zweite Zahnrad 48 in dieser Phase mit entgegen gesetzter Drehrichtung zum ersten Zahnrad 47 angetrieben, aber da der zugehörige zweite Freilauf 46 hierbei in seiner Freilaufrichtung betrieben wird, erfolgt keine Drehmomentübertragung auf die Abtriebswelle 13. Diese Freilaufrichtung stimmt mit derjenigen des ersten Freilaufs 45 überein. Die Abtriebswelle erfährt somit lediglich ein Drehmoment vom ersten Zahnrad 47 in der gewünschten Drehrichtung gemäß Pfeil C.
Bei Bewegung des Freikolbens in der entgegen gesetzten Richtung, also Richtung gemäß Pfeil B, überträgt das erste Zahnrad 47 kein Drehmoment auf die Abtriebswelle 13, da der zugehörige erste Freilauf 45 in seiner Freilaufrichtung beaufschlagt wird. Das erste Zahn- rad treibt aber, wie schon erläutert, das weitere Zahnrad 41 und über das parallele Zahnrad 41a das Umkehrzahnrad 52 an, dieses jedoch diesmal im umgekehrten Drehsinn, d.h. im Uhrzeigersinn. Das Umkehrzahnrad 52 überträgt diese Drehung auf das zweite Zahnrad 48, das hierdurch im Sinne des Pfeils C angetrieben wird und ein entsprechendes Drehmoment auf die Abtriebswelle 13 ausübt, da der zugehörige zweite Freilauf 46 in sei- ner Blockierrichtung beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird die Abtriebswelle 13 des Freikolben-Boxermotors 19 ständig im gewünschten Drehsinn gemäß Pfeil C angetrieben. Hierbei erfolgt die Drehmomentübertragung je nach Bewegungsrichtung des Freikolbens 22 abwechselnd einmal vom ersten Zahnrad 47 unmittelbar über den zugehörigen ersten Freilauf 45 einmal mittelbar über ei- ne Anordnung von Zahnrädern zur Drehrichtungsumkehr und das zweite Zahnrad 48 mit dem zugehörigen Freilauf.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausbildung eines Freikolben- Boxermotors 19 für eine asynchron betriebene Stromgeneratoranlage 1 nach der Erfin- düng dargestellt. Diese Bauform unterscheidet sich durch die Art der Übertragung der Bewegung des Freikolbens 22 in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 13.
Bei der Bauform nach Fig. 3 kämmt die Zahnstange 32 des Freikolbens 22 mit einem Zwischenzahnrad 71 , das über eine Welle 72 und Lager 72a im - nicht gezeigten - Ge- häuse 1 1 gelagert ist. Das Zwischenzahnrad 71 greift an einer Zwischenzahnstange 73 an, - in der Fig. 3 verdeckt - die Teil eines Zahnstangenblocks 74 ist. Der Zahnstangenblock 74 umfasst zwei voneinander seitlich beabstandete Führungsschienen 75, 75a, zwischen denen sich die Zwischenzahnstange 73 mit nach oben weisenden Zähnen befindet, sowie zwei zueinander seitlich versetzte Zahnstangenabschnitte 76, 76a, mit nach unten weisenden Zähnen. Die Führungsschienen 75, 75a besitzen jeweils eine Längsnut 77, 77a so dass sie auf am Gehäuse 11 gelagerten Führungszapfen 78 mit Wälzlagern 79 eine Längsverschiebung des Zahnstangenblocks 73 ermöglichen. Im Betrieb überträgt das Zwischenzahnrad 71 die Hin- und Herbewegung des Freikolbens 22 auf den Zahnstangenblock 74, wobei sich die Bewegungsrichtung wegen des Zwischenzahnrads 71 umkehrt. An der Hin- und Herbewegung nehmen auch die Zahnstangenabschnitte 76, 76a teil, die ihrerseits mit je einem Zahnstangen-Zahnrad 80 bzw. 81 in Eingriff stehen. Ein erstes Zahnstangen-Zahnrad 80 ist hierbei auf der Abtriebswelle 82 über einen ersten Freilauf 83 gelagert und kämmt mit den Zahnstangenabschnitt 76. Die Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 ist derart, dass auf die Abtriebswelle 82 mit dem ersten Zahnstan- gen-Zahnrad nur dann ein Drehmoment übertragen wird, wenn der Zahnstangenblock 73 in die durch den Pfeil A dargestellte Richtung verschoben wird.
Das zweite Zahnstangen-Zahnrad 81 ist in Bezug auf das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 seitlich und in Längsrichtung versetzt auf einer weiteren Welle 85 aufgekeilt, die auch ein weiteres, paralleles Zahnrad 86 drehfest trägt. Das parallele Zahnrad 86 kämmt wiederum mit dem Umlenkzahnrad 87, das parallel zum ersten Zahnstangenzahnrad 80 über einen zweiten Freilauf 84 auf der Abtriebswelle 82 gelagert ist. Der zweite Freilauf 84 ist gleichläufig zum ersten Freilauf 83 des ersten Zahnstangen-Zahnrades 80 ausgebildet, d. h. das Umlenkzahnrad 87 blockiert, wenn der Zahnstangenblock 74 gemäß dem Pfeil B in die andere Richtung bewegt wird.
Die Drehrichtung der Abtriebswelle 82 ist durch den Pfeil C dargestellt. Wenn der Zahnstangenblock 74 durch den Freikolben 22 in Richtung von Pfeil A bewegt wird, dreht sich das erste Zahnstangen Zahnrad 80 in Richtung des Pfeils D und treibt, da der erste Freilauf 83 gesperrt ist, die Abtriebswelle 82 an, während das Umlenkzahnrad 87 aufgrund des gleichläufigen zweiten Freilaufs 84 frei durchdreht. Wenn der Zahnstangenblock 74 anschließend durch die Bewegungsumkehr des Freikolbens 22 in Richtung von Pfeil B bewegt wird, dreht sich das Umlenkzahnrad 87 in Richtung des Pfeils E und treibt, da der zweite Freilauf 84 gesperrt ist, die Abtriebswelle 82 gemäß dem Pfeil C an, während das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 aufgrund des gleichläufigen, aber durch den zugehörigen ersten Zahnstangenabschnitt 76 in Freilaufrichtung beaufschlagten ersten Freilaufs 83 frei durchdreht.
Auf der Abtriebswelle 82 ist ein Abtriebszahnrad 88 angeordnet, das mit der Abtriebswelle 82 über einen zusätzlichen Freilauf 89 verbunden ist. Das Abtriebszahnrad 88 treibt ein Ritzel 90 auf der Antriebswelle 91 an, die mit Lagern 92, 92a am Gehäuse 11 gelagert ist. Die Antriebswelle 91 ist an den Enden mit einem Mehrkant 93 oder dergleichen versehen, um mehrere nebeneinander angeordnete Freikolbenmotoren 5 durch entsprechende Kupplungen 15 drehfest miteinander bzw. mit der Antriebswelle 14 des Generators 2 miteinander verbinden zu können, wie dies in der Fig.1 beispielhaft für vier Freikolbenmoto- ren 5 gezeigt ist.
In Fig. 4 ist eine Teilansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Freikolbenmotors gezeigt. Dargestellt sind lediglich eine Hälfte des Freikolbens 22 sowie die Anordnung der Zahnräder und Freiläufe, wobei der zweite Freilauf 84 jedoch verdeckt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist auf das in Fig. 3 gezeigte Zwischenzahnrad 71 und die Führungsschienen 75, 75a verzichtet und die beiden Zahnstangenabschnitte 76, bzw. 76a werden unmittelbar oder unter Verwendung eines Zwischenstücks an der Seitenfläche 38 des Verbindungsteils 28 befestigt. Die übrigen erforderlichen Bauteile, wie Zahnräder, zugehörige Wellen und Freiläufe, entsprechen in Anordnung und Funktion weitgehend den in Fig. 3 gezeigten Bauteilen. Allerdings ist der zweite Freilauf 84 bei diesem Ausführungsbeispiel dem zweiten Zahnstangen-Zahnrad 81 zugeordnet und nicht dem Umlenkzahnrad 87, wie es bei der in Fig. 3 gezeigten Konstruktion des Freikolben- Boxermotors der Fall ist.
Hervorzuheben ist, dass auch bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das mit dem zweiten Zahnstangenabschnitt 76a kämmende zweite Zahnstangenzahnrad 81 gegenüber dem mit der ersten Zahnstange 76 kämmenden ersten Zahnstangenzahnrad 80 sowohl seitlich als auch in Längsrichtung versetzt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist auch denkbar, dass die beiden genannten Zahnstangen-Zahnräder 80, 81 ohne seitlichen Versatz hintereinander angeordnet sind, wofür natürlich die dann erforderliche einzi- ge Zahnstange entsprechend lang ausgebildet sein muss. Bei seitlich versetzten Zahnstangen-Zahnrädern kann an Stelle der gezeigten parallel angeordneten zwei Zahnstangenabschnitte 76 und 76a selbstverständlich eine einzige hinreichend breite Zahnstange eingesetzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist auf der Abtriebswelle 82 des Freikolbenmotors ein erstes Zahnstangen-Zahnrad 80 mittels eines ersten Freilaufs 83 gelagert, sowie ein Umlenkzahnrad 87, welches drehfest mit der Abtriebswelle 82 verbunden ist. Das erste Zahnstangenzahnrad kämmt mit dem einen Zahnstangenabschnitt 76. Die Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 ist derart, dass bei Bewegung des Freikolbens und damit des Zahnstangenabschnitts 76 in Richtung von Pfeil A der erste Freilauf 82 blockiert und damit ein in Drehrichtung gemäß Pfeil C wirkendes Drehmoment auf die Abtriebswelle 82 ausübt. Bei Bewegung in Richtung des Pfeils B dreht der erste Freilauf 83 in seiner Freilaufrichtung 53 frei durch. Auf einer weiteren Welle 85 ist ein zweites Zahnstangen- Zahnrad 81 über einen zweiten Freilauf 84 (in der Figur verdeckt) gelagert, zusammen mit einem parallelen Zahnrad 86, das drehfest mit der Welle 85 verbunden ist. Der zweite Freilauf ist gegenläufig zum ersten Freilauf 83 ausgebildet. Er blockiert folglich bei Bewegung des Zahnstangenabschnitts 76a in Richtung von Pfeil B und läuft frei bei Bewegung in Richtung von Pfeil A. Das parallele Zahnrad 86 kämmt mit dem Umlenkzahnrad 87.
Bewegt sich der Freikolben 22 und damit die Zahnstangenabschnitte 76 und 76a in Richtung von Pfeil A, so treibt der Zahnstangenabschnitt 76 das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 in Richtung des Pfeils D und damit in Blockierrichtung 54 des ersten Freilaufs 83 an. Das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 überträgt somit das anliegende Drehmoment auf die Abtriebswelle 82, die sich hierdurch in der gewünschten Richtung gemäß Pfeil C dreht. Der andere Zahnstangenabschnitt 76a kämmt mit dem zweiten Zahnstangen-Zahnrad 81 , aber da dessen (zweiter) Freilauf 84 in Freilaufrichtung beaufschlagt wird, übt dieses kein Drehmoment auf die Welle 85 aus.
Bei Umkehr der Bewegung des Freikolbens in Richtung von Pfeil B läuft das erste Zahnstangen-Zahnrad 80 frei durch, während das zweite Zahnstangen-Zahnrad 81 in
Blockierrichtung des zugehörigen zweiten Freilaufs 84 angetrieben wird. Über die Welle
85 wird dieses Drehmoment auf das parallele Zahnrad 86 übertragen, das sich somit in
Richtung des Pfeils E dreht. Diese Drehung wird unter Umkehr der Drehrichtung auf das
Umlenkzahnrad 87 übertragen, welches drehfest mit der Abtriebswelle 82 verbunden ist und diese dadurch in der gewünschten Richtung gemäß Pfeil C antreibt.
Somit wird die Abtriebswelle 82 bei jedem Hub des Freikolbens, unabhängig von dessen Bewegung in Richtung von Pfeil A oder Pfeil B, stets im selben Drehsinn gemäß Pfeil C angetrieben. Die in Fig. 4 gezeigte konstruktive Variante benötigt gegenüber den zuvor beschriebenen Bauformen nach den Fig. 2 und 3 die geringste Anzahl von Zahnrädern und sonstigen Bauteilen. Sie ist deshalb besonders kompakt und robust.
Die Fig. 5 zeigt in schematischer, vereinfachter Darstellung den Endbereich eines Zylinders 20, der mit einem Zylinderkopfdeckel 35 abgeschlossen ist. Der Zylinder ist hier, wie auch in den Fig. 2 und 3, teilweise geschnitten dargestellt. Der Zylinderkopfdeckel 5 ist mit einem Einlassventil 36 und einem Auslassventil 37 versehen und trägt - soweit erforderlich - auch die hier nicht gezeigte Zündkerze für das Antriebsmedium. Im Zylinderkopfdeckel ist zudem eine Druckfeder als Federelement 94 vorhanden, mittels dessen der Freikolben 22 bei Annäherung an das Ende seines Hubes abgebremst und in Gegenrich- tung beschleunigt werden kann. Hierdurch sind eine verbesserte Betriebsweise und ein erhöhter Wirkungsgrad des Freikolbenmotors 5 und damit der Stromgeneratoranlage erzielbar.
Die Fig. 6 dient zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen der Drehmomentübertra- gung bei einem Motor mit Kurbelwelle und einem Freikolbenmotor nach der Erfindung. Bei einem Motor 1 10 mit Kurbelwelle 11 1 , der in Fig. 6a schematisiert dargestellt ist, ändert sich der Angriffswinkel der Pleuelstange 112 an der Kurbelwelle 11 1 periodisch zwischen einem Wert „Null Grad" und einem Maximalwert. Der Wert „Null Grad" wird am oberen Totpunkt 1 15 erreicht (linkes Teilbild in Fig. 6a), bei dem das Treibstoffgemisch im Zylin- der 20 gezündet wird und der maximale Druck herrscht, bzw. am nicht dargestellten unteren Totpunkt an dem der maximale Kolbenhub erreicht ist. Da der Angriffswinkel und da- mit der effektive Hebelarm an der Kurbelwelle 1 11 in diesen Bereichen klein sind, ist die Übertragung des resultierenden Drehmoments (Kraft x Hebelarm) klein. Bei weiterer Expansion der Verbrennungsgase wird zwar der Hebelarm zunächst größer, aber die Gase haben bereits wesentlich weniger Druck. Zudem greift die Pleuelstange 1 12 stets unter einem Winkel, der kleiner als 90° ist, an der Kurbelwelle 1 11 an (mittleres und rechtes Teilbild in Fig. 6a). Insgesamt ist somit die Übertragung der Hin- und Herbewegung des Kolbens 23 in eine Drehbewegung nicht optimal.
Bei einem Freikolbenmotor 5, der erfindungsgemäß als Freikolben-Boxermotor ausgebil- det ist, greift die am Verbindungsteil 28 des Freikolbens 22 angeordnete Zahnstange 32 in allen Phasen der Hubbewegung unter einem unveränderlichen Winkel am ersten Zahnrad 47 an, wie in Fig. 6b für einen Kolben schematisch dargestellt ist. Damit erfolgt die Kraftübertragung in allen Phasen der Kolbenbewegung mit einem maximalen und konstanten Hebelarm, der durch den Radius 116 des ersten Zahnrads 47 gegeben ist. Dies bedeutet, dass die Kraftübertragung vom Freikolben 22 auf die Abtriebswelle 13 des Freikolbenmotors 5 zur Erzeugung eines Drehmoments immer unter optimalen Bedingungen verläuft.
In Fig. 6c ist der Verlauf des übertragenen Drehmoments für einen Motor mit Kurbelwelle und für einen Freikolbenmotor nach der Erfindung schematisiert dargestellt. Horizontal ist der Drehwinkel für eine volle Umdrehung der angetriebenen Welle aufgetragen und senkrecht dazu das jeweilig übertragene Drehmoment in relativen, beliebigen Einheiten. Die Kurve A für den Motor mit Kurbelwelle ändert sich periodisch zwischen dem Wert „Null" und einem Maximalwert. Für den Freikolbenmotor ergibt sich ein konstanter maximaler Wert gemäß Kurve B. Der Vorteil des Freikolbenantriebs gegenüber dem Kurbelwellenan- trieb ist deutlich erkennbar.
Bezugszeichenliste
1 Stromgeneratoranlage
2 Generator
3 Antriebsblock
4 Fundament
5 Freikolbenmotor
6 Versorgungsleitungen
7 Abgasleitungen
8 Wärmetauscher
9 Filtereinrichtung
10 Auspuff
1 1 Gehäuse
12 Getriebe
13, 13a Abtriebwelle
14 Antriebswelle
15 Kupplung
16 Klemmen
17 Ritzel
18 Mehrkant
19 Freikolben-Boxermotor
20 Zylinder
21 , 21a Zylinderraum
22 Freikolben
23, 23a Kolben
25 Kolbenboden
26 Kolbenmantel
27 Kolbendichtung
28 Verbindungsteil
29 Rückseite
30 Schaft
32 Zahnstange
33 Zahnung 35, 35a Zylinderkopfdeckel
36, 36a Einlassventil
37, 37a Auslassventil
38 Seitenfläche
39 Öffnung
40 Zylinderbereich
41 , 41a Zahnrad
43 Freilauf
44 Freilauflager
45 Erster Freilauf
46 Zweiter Freilauf
47 Erstes Zahnrad
48 Zweites Zahnrad
49 Welle
51 Drehrichtung
52 Umkehrzahnrad
53 Freilaufrichtung
54 Blockierrichtung
71 Zwischenzahnrad
72 Welle
72a Lager
73 Zwischenzahnstange
74 Zahnstangenblock
75, 75a Führungsschienen
76, 76a Zahnstangenabschnitt
77 Längsnut
78 Führungszapfen
79 Wälzlager
80 Erstes Zahnstangen-Zahnrad
81 Zweites Zahnstangen-Zahnrad
82 Abtriebswelle
83 erster Freilauf
84 zweiter Freilauf
85 weitere Welle
86 paralleles Zahnrad
87 Umlenkzahnrad 88 Abtriebszahnrad
89 Freilauf
90 Ritzel
91 Antriebswelle
92 Lager
93 Mehrkant
94 Federelement
1 10 Motor
111 Kurbelwelle
112 Pleuelstange

Claims

Ansprüche
1. Stromgeneratoranlage (1 ) mit einem asynchron betriebenen Generator (2) und mindestens einem Freikolbenmotor (5), der über eine rotierende Abtriebswelle (13) mit der Antriebswelle (14) des Generators (2) zu dessen Antrieb verbunden ist und der jeweils zwei mittels eines Verbindungsteils (28) über ihre Rückseiten (29, 29a) miteinander verbundene Kolben (23, 23a) aufweist, die jeweils in einem am Ende geschlossenen Zylinderraum (21 , 21a) gleitend geführt sind, wobei die Zylinderräume (21 , 21a) miteinander fluchtend/koaxial angeordnet sind und die Kolben (23, 23a) über ein Antriebsmedium in Hin- und Herbewegung versetzbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (28) an einer Seitenfläche (38) mit einer Zahnung (33) oder einer Zahnstange (32) versehen ist, die mit mindes- tens einem auf einer Welle (13, 72, 82,85) angeordneten Zahnrad (47, 71 , 80, 81 ) in Eingriff steht, welches Zahnrad (47, 71 , 80, 81 ) in unmittelbarer oder mittelbarer Wirkverbindung mit der Abtriebswelle (13, 82) steht.
2. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die bei- den Zylinderräume (21 , 21 a) Teil eines gemeinsamen Zylinders (20) sind und dass der Zylinder (20) an zumindest einer Seitenfläche (38) eine Öffnung (39) für den
Durchtritt der Zahnung (33) bzw. Zahnstange (32) oder des mindestens einen
Zahnrads (47, 71 ) aufweist.
3. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71 ) mit einem Freilauf (43, 45) versehen ist.
4. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71 ) auf der Abtriebswelle (13) des Freikolbenmotors (5) mittels des Freilaufs (43, 45) gelagert ist.
5. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (47, 71 ) mit einem weiteren, auf einer Welle (49) drehfest gelagerten Zahnrad (41 ) kämmt, das über ein auf der selben Welle (49) gelagertes paralleles Zahnrad (41 a) und ein Umkehrzahnrad (52) ein auf der Abtriebswelle (13) über einen zweiten Freilauf (46) gelagertes zweites Zahnrad (48) antreibt, wobei der zweite Freilauf (46) gleichläufig mit dem Freilauf (45) des mindestens einen Zahnrads (47, 71 ) ist.
6. Stromgeneratoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich- net, dass zwei Zahnräder mit der Zahnung (33) bzw. Zahnstange (32) in Eingriff stehen, wobei das erste Zahnrad (47) über einen ersten Freilauf (45) mit der Abtriebswelle (13) des Freikolbenmotors (5) in Verbindung steht und das andere Zahnrad (47a) unmittelbar oder über ein zu ihm parallel auf der selben Welle (49) drehfest gelagertes weiteres Zahnrad (41 ) mit einem auf der Abtriebswelle (13) über einen zum ersten Freilauf (45) gleichläufig wirkenden zweiten Freilauf (46) gelagerten zweiten Zahnrad (48) kämmt.
7. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zahnrad (41 , 71 ) mit einem ver- schieblich geführten Zahnstangenblock (74) gekoppelt ist, der mit zwei Zahnstangen-Zahnrädern (80, 81 ) in Eingriff steht, wobei das erste Zahnstangen-Zahnrad (80) mit der Abtriebswelle (82) über einen ersten Freilauf (83) in Verbindung steht, das zweite Zahnstangen-Zahnrad (81 ) ein Umlenkzahnrad (87) gegenläufig zum ersten und zweiten Zahnstangen-Zahnrad (80, 81 ) antreibt und das Umlenkzahn- rad (87) mit der Abtriebswelle (82) über einen zum Freilauf (83) des ersten
Zahnstangen-Zahnrads (80) gleichläufigen Freilauf (84) verbunden ist.
8. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Endbereichen der Zylinder (20) Federmittel (94) vor- gesehen sind, die zur Abbremsung und Beschleunigung der Kolben (23, 23a) dienen.
9. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Abtriebswelle (13, 82) ein Abtriebszahnrad (88) an- geordnet ist.
10. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebszahnrad (88) über einen Freilauf (89) mit der Abtriebswelle (13, 82) verbunden ist.
1 1. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebszahnrad (88) mit einem Ritzel (17, 90) auf der Antriebswelle (14, 91 ) des Generators (2) in Eingriff bringbar ist.
12. Stromgeneratoranlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 1 1 , da- durch gekennzeichnet, dass mehrere Freikolbenmotoren (5) vorhanden sind, deren jeweilige Abtriebswellen (13, 82) drehfest miteinander verbindbar sind.
13. Stromgeneratoranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Freikolbenmotoren (5) jeweils unabhängig voneinander betreibbar sind.
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