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DE3709266A1 - In heissgasmotor integrierte lineargeneratoren - Google Patents

In heissgasmotor integrierte lineargeneratoren

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DE3709266A1
DE3709266A1 DE19873709266 DE3709266A DE3709266A1 DE 3709266 A1 DE3709266 A1 DE 3709266A1 DE 19873709266 DE19873709266 DE 19873709266 DE 3709266 A DE3709266 A DE 3709266A DE 3709266 A1 DE3709266 A1 DE 3709266A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Stromerzeugungsaggregat, beste­ hend aus einem mehrzylindrigen Hubkolbenmotor mit in Füh­ rungen geradlinig hin- und herbewegten Elementen, wobei im Bereich wenigstens einer Führung und am darin geführten Ele­ ment die ortsfesten und beweglichen Teile eines Lineargene­ rators angeordnet sind.
Ein derartiges Stromerzeugungsaggregat ist aus der DE-OS 33 41 105 in Verbindung mit einem Kraftfahrzeug bekannt. Dieses Kraftfahrzeug besitzt einen seinem Aufbau nach herkömmlichen Antriebsmotor, der in erster Linie seinem Zweck als Antriebsquelle für das Fahrzeug entsprechend aus­ gebildet ist. Das heißt, es handelt sich dabei um einen Otto- oder Dieselmotor mit Tauchkolben, die jeweils über eine Pleuelstange an eine Kurbelwelle angelenkt sind, an welche Kurbelwelle über eine Schaltkupplung ein Schaltge­ triebe oder ein Automatikgetriebe und daran der zu den Rä­ dern des Fahrzeugs führende Antriebsstrang angeschlossen sind. Bei diesem Kraftfahrzeugmotor sind nun als Ersatz der herkömmlichen Lichtmaschine ein oder mehrere Lineargenerato­ ren zur Erzeugung des im Fahrzeug erforderlichen Stromes vorgesehen. Der bzw. die Lineargeneratoren sollen dabei im Bereich eines oder mehrerer Gaswechselventile angeordnet sein, nämlich die Permanentmagneten als bewegliche Teile der Lineargeneratoren an den Ventilschäften und die Statoren an den zugehörigen Ventilschaftführungen.
Naturgemäß ist jedoch der Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs starken Drehzahl- und Lastschwankungen unterworfen, was sich in der Regel nachteilig auf die Stromerzeugung auswirkt und nur mit einem entsprechend hohen Regelungsaufwand ausge­ glichen werden kann. Außerdem dient die in Verbindung mit diesem Fahrzeugantriebsmotor gegebene Stromerzeugungsanlage lediglich zur Aufladung der Fahrzeugbatterie, bei dem die ansonsten in der Regel über Keilriemen von der Kurbelwelle her angetriebene Lichtmaschine durch den bzw. die Linearge­ neratoren ersetzt ist. Für diesen Anwendungszweck mag es durchaus praktikabel sein, daß der Motor sowohl zur Stromer­ zeugung als auch zum mechanischen Antrieb des Fahrzeugs genügt.
Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, in denen Brennkraftma­ schinen ausschließlich zum Antrieb eines Stromerzeugungsag­ gregates dienen, z.B. Notstromaggregate. Dabei ist an einen herkömmlichen Brennkraftmotor in der Regel über eine elasti­ sche Kupplung und ein entsprechendes Getriebe ein herkömmli­ cher Generator angeschlossen. Für solche Zwecke kamen auch schon Heißgasmotoren zur Anwendung, beispielsweise in Schif­ fen oder Unterseebooten zur Bordstromerzeugung oder Erzeu­ gung von Strom, mit dem ein die Schiffsschrauben antreiben­ der Elektromotor bzw. Elektromotoren betreibbar sind. Bei solchen Anlagen erweisen sich jedoch in der Regel der ge­ triebetechnische und regelungstechnische Aufwand für den Be­ trieb des Generators von der Kurbelwelle aus als sehr auf­ wendig und teuer.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Stromerzeugungsag­ gregat zu schaffen, bei dem trotz Verwendung eines Hubkol­ benmotors als Kraftquelle auf die Verwendung aufwendiger und teurer sowie platzraubender mechanischer Übertragungsele­ mente zwischen Kurbelwelle und stromerzeugendem Aggregat verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzei­ chen des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß der Hubkolbenmotor ein mindestens 4-zylindriger, doppeltwirkender Heißgasmotor ist, dessen je zwischen einem heißen und einem kalten Zylin­ derraum arbeitende Kolben mit je einer Kolbenstange an einem in einer Kreuzkopfführung geradlinig geführten Kreuzkopf und über ein an letzterem angeschlossenes Koppelglied, insbeson­ dere Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden sind, daß ferner in jedem Kreuzkopf die beweglichen Teile - Permanent­ magnete bzw. Erregerspulen - und an der zugehörigen Kreuz­ kopfführung die unbeweglichen Teile - Statoren - eines Line­ argenerators angeordnet sind, und daß die Kurbelwelle und die Koppelglieder nur der Synchronisierung der Arbeitszyklen dienend, entsprechend leicht ausgebildet und dimensioniert sind, ferner die Kurbelwelle nicht aus dem Kurbelgehäuse herausgeführt und letzteres hermetisch dicht ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht mithin darin, daß die stromerzeugenden Aggregate direkt in den unmittelbaren Auf­ bau eines Heißgasmotors integriert sind. Hierzu sind bei­ spielsweise an einem Heißgasmotor bekannter Bauart im Be­ reich der Kreuzkopfführung und der Kreuzköpfe lediglich ge­ ringfügige Umbaumaßnahmen für die Anbringung der Teile der Lineargeneratoren notwendig. Diese Umbaumaßnahmen werden je­ doch dadurch mehr als kompensiert, daß Kurbelwelle und Pleuel der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zu jener bei einem herkömmlichen Heißgasmotor nur mehr zur Synchronisierung der Arbeitszyklen verwendet werden müssen und deshalb entsprechend leicht ausgebildet und dimensioniert werden können. Das heißt, Kurbelwelle und Pleuel können beispielsweise aus einem weniger hoch belastbaren und damit billigeren Material herge­ stellt werden und müssen insgesamt gesehen nicht die Qualitäts­ anforderungen erfüllen wie jene eines herkömmlichen Heißgasmo­ tors. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß aufgrund der nicht mehr notwendigen Herausführung der Kurbelwelle aus dem Kurbelgehäuse letzteres deshalb hermetisch dicht ausgeführt und auf vergleichsweise teuere Rollmembrandichtungen oder komplizierte gleitende Dich­ tungseinrichtungen im Bereich der Kolbenstangen verzichtet werden kann, welche Dichtungen in der Regel bei herkömmli­ chen Heißgasmotoren zur Vermeidung von Arbeitsgasverlusten und wegen des nicht hermetisch dichten Kurbelgehäuses zwin­ gend notwendig sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung mit den in den Aufbau des Heißgasmotors integrierten Stromerzeugungsaggregaten kann somit auf herkömmliche, extern einer Maschine über einen Getriebezug und eine Kupplung von der Kurbelwelle aus ange­ triebene Generatoren verzichtet werden. Außerdem wird mit der erfindungsgemäßen Lösung das Gewicht des Gesamtaggregates sowie dessen Platzbedarf ganz erheblich reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfin­ dungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Stromerzeugungsaggregat anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles desselben näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen weitgehend schematisierten Längsschnitt durch einen mehrzylindrigen, doppeltwirkenden Heißgasmotor mit integrierten Stromerzeugungs­ aggregaten, und
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Heißgasmotor gemäß Fig. 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Stromerzeugungsaggregat ist als Basis ein mindestens vierzylindriger, doppeltwirkender Heiß­ gasmotor vorgesehen. Dieser Heißgasmotor kann jedoch auch aus mehr als vier Zylindern bestehen, wobei in diesem Fall dann bevorzugt Heißgasmotoren mit geradzahliger Anzahl von 6, 8 oder 12 Zylindern zur Anwendung kommen. Im großen und ganzen hat der Heißgasmotor einen für doppeltwirkende Typen übli­ chen Aufbau, der auch hinsichtlich seiner Wirkungsweise an sich aus dem einschlägigen Stand der Technik hinreichend be­ kannt ist.
Der in der Zeichnung dargestellte vierzylindrige doppeltwir­ kende Heißgasmotor weist je Zylinder ein Zylindergehäuse (1) auf, in dem ein Kolben (2) arbeitet und einen oberen hei­ ßen Zyklusraum (3) von einem unteren kalten Zyklusraum (4) trennt. Jedem Zylinder ist eine Regenerator/Kühler-Einheit, bestehend aus einem Regenerator (5) und einem Kühler (6) so­ wie eine Erhitzerrohranordnung (7) zugeordnet. Jede Erhit­ zerrohranordnung (7) ist einerseits am heißen Zyklusraum (3) und andererseits am Regenerator (5) der zugehörigen Regene­ rator/Kühler-Einheit (5, 6) angeschlossen. Jede Erhitzerrohr­ anordnung (7) alleine oder alle Erhitzerrohranordnungen (7) sind gemeinsam durch eine Brennkammer (8) hindurchgeführt, in der von einem Brenner (9) heiße Rauchgase erzeugt werden, die zur Erhitzung des in dem geschlossenen Arbeitskreislauf befindlichen Arbeitsgases dienen. Die Erhitzung kann in be­ kannter Weise aber auch durch eine andere Wärmequelle mit einer Nutztemperatur von über 800°C erfolgen, beispielswei­ se durch Solarenergie oder chemische Wärmequellen, wobei die Energieübertragung auf direktem Wege oder indirekt nach dem Wärmerohrprinzip (heat pipe system) erfolgen kann. Der Bren­ ner (9) steht im dargestellten Beispiel zwecks Brennstoff­ versorgung mit einer Brennstoffzuleitung (10) und außerdem mit einer Luftversorgung in Verbindung, von der als Teil in der Zeichnung lediglich ein Luftvorwärmer (11) dargestellt ist. Der Luftvorwärmer (11), die Brennkammer (8) und die Regenerator/Kühler-Einheiten (5, 6) sind innerhalb eines sich längs der Heißgasmaschine erstreckenden und auch die Zylindergehäuse (1) überdeckenden Gehäuses (12) unterge­ bracht. Jeder kalte Zyklusraum (4) ist über eine Verbin­ dungsleitung (13) mit einem Kühler (6) einer Regenerator/ Kühler-Einheit (5, 6) verbunden, und zwar entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der maschinenseitig vorgegebenen Zyklus­ folge.
Jeder Kolben (2) ist geradlinig geführt an ein Triebwerk an­ geschlossen, wobei jeder Kolben (2) über eine Kolbenstange (14) mit einem in einer Kreuzkopfführung (15) geführten Kreuzkopf (16) verbunden und letzterer wiederum über ein Koppelglied, hier eine Pleuelstange (17), an einer Kurbelwelle (18) ange­ schlossen ist. Jede Kolbenstange (14) läuft in einer Gleit­ buchsendichtung (19), durch die der jeweilige kalte Zyklus­ raum (4) zum Triebwerksraum (20) hin abgedichtet ist. Der Triebwerksraum (20) ist von einem hermetisch dicht ausgebil­ deten Kurbelgehäuse (21) begrenzt, das zur Aufnahme von Ar­ beitsgasleckagen dient. Mit (22) ist eine Ölwanne bezeich­ net.
In jeden Kreuzkopf (16) sind die beweglichen Teile - Perma­ nentmagnete bzw. Erregerspulen (23) - und an der zugehörigen Kreuzkopfführung (15) sind die unbeweglichen Teile - Statoren (24) - eines Lineargenerators angeordnet. Dabei sind der bzw. die Permanentmagnete oder die Erregerspulen (23) in seitlichen Vertiefungen der Kreuzköpfe (16) integriert. Die Kreuzkopfführungen (15) sind als Laufbuchsen mit integrier­ ten, Statorwicklungen tragenden Polschuhen zur Bildung der Statoren (24) ausgebildet. Die Wicklungen der Statoren (24) sind, sofern erforderlich, an einen Gleichrichter angeschlos­ sen. Bei einem 6-zylindrigen Heißgasmotor kann jedoch der von den dann sechs Lineargeneratoren erzeugte Strom als Drei-Phasen-Drehstrom von jeweils drei Lineargeneratoren di­ rekt entnommen und einem Verbraucher zugeführt bzw. in ein Netz eingespeist werden. Der erzeugte Strom könnte generell auch einem Akkumulator zugeführt werden. Bei dem nicht dar­ gestellten Verbraucher kann es sich beispielsweise um Stromabnehmer wie einen Elektromotor oder ein anderes mit Strom zu versorgendes Aggregat handeln. Die Lineargenerato­ ren können auch zum Starten des Heißgasmotors verwendet wer­ den, zu welchem Zweck die Wicklungen der Statoren (24) von einer entsprechenden Startschaltung her kurzzeitig bestrom­ bar sind.
Da die Leistung des Heißgasmotors bereits an den Kreuzköpfen in elektrische Energie umgewandelt wird, dienen die Kurbel­ welle (18) und die Pleuelstangen (17) des Heißgasmotors nur zur Synchronisierung der Arbeitszyklen des Motors und sind wegen der geringen Restkräfte entsprechend leicht aus­ gebildet und dimensioniert. Außerdem ist die Kurbelwelle (18) nicht aus dem Kurbelgehäuse (21) herausgeführt, sondern innerhalb desselben in entsprechend leichten Lagern (25) mehrfach gelagert. An der Kurbelwelle (18) sind außerdem Ge­ gengewichte (26) zur Erzielung eines Massenausgleiches und außerdem Schwungmassen (27) zur Vergleichmäßigung der Kol­ benbewegungen (2) angebracht.
Am Kurbelgehäuse (21) sind ferner ein Druckhalteventil (28) und ein Überdruckventil (29) angeschlossen, die bei anstei­ gendem bzw. zu großem Kurbelgehäuseinnendruck Arbeitsgas aus dem Kurbelgehäuse (21) abführen und über eine nicht darge­ stellte Leitung zur ebenfalls nicht dargestellten Leistungs­ regelungseinrichtung des Heißgasmotors zurückführen.
Da die Kolben (2) der Heißgasmaschine entsprechend dem vor­ gesehenen Arbeitszyklus über ihre Koppelglieder - hier Pleu­ elstangen (17) - gleichmäßig verteilt am Umfang der Kurbel­ welle (18) angelenkt sind, ist die für das doppeltwirkende Heißgasmotorenprinzip notwendige Phasenlage zwischen den einzelnen Kolben sichergestellt. Weiterhin sorgt die syn­ chronisierende Kurbelwelle (18) für einen gleichmäßigen, quasi -sinusförmigen Ablauf der Bewegung der Alternatoren, d.h. der oszillierend bewegten Teile (23) der Lineargenerato­ ren, und erzwingt somit den erwünschten, nahezu sinusförmigen Amplitudenverlauf der elektrischen Ausgangswerte Spannung und Strom der Lineargeneratoren. Ferner wird durch die so gestaltete Kurbelwelle die Anwendung eines wirkungsvollen und winkelgetreuen Massenausgleichs ermöglicht.
Anstelle der in der Zeichnung dargestellten Triebwerksgeome­ trie, also der Pleuelstangenverbindung zwischen den Kreuz­ köpfen und der Kurbelwelle kann auch eine andere, kürzer bauende Triebwerksgeometrie, z.B. ein hinsichtlich seines Auf­ baues bekanntes Parsons-Triebwerk oder ein Kurbelschleifen­ triebwerk mit entsprechenden Koppelgliedern zur Anwendung kommen.

Claims (10)

1. Stromerzeugungsaggregat, bestehend aus einem mehrzylin­ drigen Hubkolbenmotor mit in Führungen geradlinig hin- und herbewegten Elementen, wobei im Bereich wenigstens einer Führung und am darin geführten Element die ortsfe­ sten und beweglichen Teile eines Lineargenerators ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubkolbenmo­ tor ein mindestens 4-zylindriger doppeltwirkender Heiß­ gasmotor ist, dessen je zwischen einem heißen (3) und ei­ nem kalten Zyklusraum (4) arbeitende Kolben (2) mit je einer Kolbenstange (14) an einem in einer Kreuzkopffüh­ rung (15) geradlinig geführten Kreuzkopf (16) und über ein an letztem angeschlossenes Koppelglied, insbesondere Pleuelstange (17), mit einer Kurbelwelle (18) verbunden sind, daß ferner in jedem Kreuzkopf die beweglichen Teile - Permanentmagnete bzw. Erregerspulen (23) - und an der zugehörigen Kreuzkopfführung die unbeweglichen Teile - Statoren (24) - eines Lineargenerators angeordnet sind, und daß die Kurbelwelle (18) und die Koppelglieder (17) nur der Synchronisierung der Arbeitszyklen dienend ent­ sprechend leicht ausgebildet und dimensioniert sind, fer­ ner die Kurbelwelle (18) nicht aus dem Kurbelgehäuse (21) herausgeführt und letzteres hermetisch dicht ausgeführt ist.
2. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der Kurbelwelle (18) des Heißgasmotors Gegengewichte (26) für einen Massenausgleich und Schwung­ massen (27) zur Vergleichmäßigung der Kolbenbewegungen angebracht sind.
3. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aufgrund des hermetisch dichten Kurbelge­ häuses (21) die die kalten Zyklusräume (4) zum Trieb­ werksraum (20) hin abdichtenden Dichtungen an den Kolben­ stangen (14) lediglich als Gleitbuchsendichtungen (19) ausgeführt und Arbeitsgasverluste in dem den Triebwerks­ raum (20) begrenzenden Kurbelgehäuse (21) auffangbar sind.
4. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Kurbelgehäuse (21) ein Druckhalteventil (28) und/oder Überdruckventil (29) angeschlossen sind, das bzw. die bei ansteigendem bzw. zu großem Kurbelge­ häuse-Innendruck Arbeitsgas aus dem Kurbelgehäuse (21) abführen und über eine angeschlossene Leitung zur Leistungsregelungseinrichtung des Heißgasmotors zurück­ führen.
5. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Permanentmagnete bzw. Erregerspulen (23) der Lineargeneratoren in seitlichen Vertiefungen der Kreuzköpfe (16) integriert sind.
6. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kreuzkopfführungen (15) als Laufbuchsen mit integrierten, die Statorwicklungen tragenden Polschu­ hen ausgebildet sind.
7. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wicklungen der Statoren (24) an Gleich­ richter angeschlossen sind.
8. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Heißgasmotor mit durch sechs teil­ barer Zylinderanzahl der in den Lineargeneratoren erzeugte Strom als 3-Phasen-Drehstrom von jeweils drei Linearge­ neratoren direkt entnommen werden kann.
9. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lineargeneratoren (23, 24) auch zum Starten des Heißgasmotors verwendbar und hierzu die Wicklungen der Statoren (24) von einer entsprechenden Startschaltung her kurzzeitig bestrombar sind.
10. Stromerzeugungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Heißgasmotor von einer Wärmequelle mit einer Nutztemperatur von über 800° C beheizt wird, z.B. durch Rauchgasbeheizung, Beheizung aus chemischen Wärme­ quellen oder Solarenergie, mit direkter Erhitzung oder in­ direkter Beheizung nach dem Wärmerohrprinzip (heat pipe system).
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