DE102019214112A1

DE102019214112A1 - Steam powered piston engine

Info

Publication number: DE102019214112A1
Application number: DE102019214112.9A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Hendrix
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-12-31

Abstract

Offenbart ist eine dampfbetriebene Kolbenmaschine mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse in einem Arbeitshub und in einem Rückhub geradlinig beweglichen Arbeitskolben, der mit einer ersten Wirkfläche an eine Verdichterkammer und mit einer der ersten Wirkfläche abgewandten, zweiten Wirkfläche an eine Expansionskammer angrenzt, mit einem Expansionsventil zum Einlassen von Dampf in die Expansionskammer und mit einem Dampfauslassventil zum Auslassen von Dampf aus der Expansionskammer, mit einem Eintrittsventil zum Einlassen von Luft in die Verdichterkammer und mit einem Austrittsventil zum Auslassen von verdichteter Luft aus der Verdichterkammer, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben auf Seiten der Verdichterkammer mit einem Rückzugkolben verbunden ist, der eine mit einem Druck beaufschlagbare effektive Rückzugsfläche hat, die kleiner ist als die zweite Wirkfläche des Arbeitskolbens.Disclosed is a steam-powered piston machine with a housing, with a working piston which can be moved in a straight line in the housing in a working stroke and in a return stroke, with a first active surface adjoining a compression chamber and with a second active surface facing away from the first active surface an expansion chamber, with a Expansion valve for the inlet of steam into the expansion chamber and with a steam outlet valve for the outlet of steam from the expansion chamber, with an inlet valve for the inlet of air into the compression chamber and with an outlet valve for the outlet of compressed air from the compression chamber, characterized in that the working piston on Sides of the compression chamber is connected to a retraction piston which has an effective retraction area that can be pressurized and which is smaller than the second effective area of the working piston.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine dampfbetriebene Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse in einem Arbeitshub und in einem Rückhub geradlinig beweglichen Arbeitskolben, der mit einer ersten Wirkfläche an eine Verdichterkammer und mit einer der ersten Wirkfläche abgewandten, zweiten Wirkfläche an eine Expansionskammer angrenzt, mit einem Expansionsventil zum Einlassen von Dampf in die Expansionskammer und mit einem Dampfauslassventil zum Auslassen von Dampf aus der Expansionskammer, mit einem Eintrittsventil zum Einlassen von Luft in die Verdichterkammer und mit einem Austrittsventil zum Auslassen von verdichteter Luft aus der Verdichterkammer. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens im Arbeitshub vergrößert sich die Expansionskammer und verkleinert sich die Verdichterkammer. Bei einer Bewegung des Arbeitskolbens im Rückhub ist es umgekehrt.The invention relates to a steam-powered piston engine, with a housing, with a working piston that can be moved in a straight line in the housing in a working stroke and in a return stroke, with a first active surface on a compression chamber and with a second active surface facing away from the first active surface, on an expansion chamber adjacent, with an expansion valve for admitting steam into the expansion chamber and with a steam outlet valve for discharging steam from the expansion chamber, with an inlet valve for admitting air into the compression chamber and with an outlet valve for discharging compressed air from the compression chamber. When the working piston moves in the working stroke, the expansion chamber increases and the compression chamber becomes smaller. When the working piston moves in the return stroke, the opposite is true.

Aus der WO 89/08188 A1 ist schon eine dampfbetriebene Kolbenmaschine bekannt, die zur Drucklufterzeugung genutzt wird. Bei dieser bekannten Kolbenmaschine sind zwei Arbeitskolben vorhanden, die über eine Kolbenstange fest miteinander verbunden sind. Auf der einen Seite jedes der beiden Arbeitskolben befindet sich eine Expansionskammer und auf der anderen Seite jedes der beiden Arbeitskolben eine Verdichterkammer. Es sind also zwei Expansionskammern und zwei Verdichterkammern vorhanden.From the WO 89/08188 A1 a steam-powered piston engine is already known, which is used to generate compressed air. In this known piston machine there are two working pistons which are firmly connected to one another via a piston rod. An expansion chamber is located on one side of each of the two working pistons and a compression chamber on the other side of each of the two working pistons. So there are two expansion chambers and two compression chambers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dampfbetriebene Kolbenmaschine mit den eingangs angeführten Merkmalen so weiterzuentwickeln, dass sie im Aufbau vereinfacht ist und kostengünstig hergestellt werden kann.The invention is based on the object of further developing a steam-operated piston machine with the features listed at the beginning in such a way that it is simplified in structure and can be manufactured inexpensively.

Diese Aufgabe wird bei einer dampfbetriebenen Kolbenmaschine mit den eingangs angeführten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Arbeitskolben auf Seiten der Verdichterkammer mit einem Rückzugkolben verbunden ist, der eine mit einem Druck beaufschlagbare effektive Rückzugsfläche hat, die kleiner ist als die zweite Wirkfläche des Arbeitskolbens.This object is achieved according to the invention in a steam-powered piston machine with the features mentioned at the beginning in that the working piston on the side of the compression chamber is connected to a retraction piston which has an effective retraction area that can be pressurized and which is smaller than the second effective area of the working piston.

Eine erfindungsgemäße dampfbetriebene Kolbenmaschine kann in vorteilhafter Weise weiter ausgestaltet werden.A steam-operated piston machine according to the invention can advantageously be further developed.

Vorteilhafterweise ist stromauf des Expansionsventils eine Dampfvorkammer ausgebildet, die über ein Vorkammereinlassventil mit Dampf befüllbar ist und deren Volumen veränderbar ist. Indem das Volumen der Dampfvorkammer verändert wird, kann der Expansionsgrad des Dampfes gut an unterschiedliche Betriebszustände angepasst und damit ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.A steam antechamber is advantageously formed upstream of the expansion valve, which can be filled with steam via an antechamber inlet valve and the volume of which can be changed. By changing the volume of the steam antechamber, the degree of expansion of the steam can be well adapted to different operating conditions and thus a high degree of efficiency can be achieved.

Das Volumen der Dampfvorkammer lässt sich auf einfache Weise verändern, wenn eine Wand oder ein Teil einer Wand der Dampfvorkammer an einem Stellkolben ausgebildet ist, der linear verschiebbar ist.The volume of the steam antechamber can be changed in a simple manner if a wall or a part of a wall of the steam antechamber is formed on an actuating piston which is linearly displaceable.

Der Rückzugkolben kann in die Dampfvorkammer eintauchen und wird somit mit dem in der Dampfvorkammer anstehenden Druck in Rückhubrichtung beaufschlagt. Bei einer solchen Ausbildung wird die Dampfvorkammer beim Füllen zwar in dem Maße größer, in dem der Rückhubkolben aus der Dampfvorkammer austaucht. Für die Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände maßgeblich ist jedoch das Volumen der Dampfvorkammer in dem Moment, in dem das Expansionsventil geöffnet wird. Bei einem Öffnen dieses Ventils jeweils in der gleichen Position von Arbeitskolben und Rückzugkolben ist das maßgebliche Volumen der Dampfvorkammer unabhängig von der Position der Kolben.The retraction piston can plunge into the steam pre-chamber and is thus subjected to the pressure in the steam pre-chamber in the return stroke direction. With such a design, the vapor pre-chamber becomes larger during filling to the extent that the return piston emerges from the vapor pre-chamber. However, the volume of the steam antechamber at the moment when the expansion valve is opened is decisive for the adaptation to different operating conditions. When this valve is opened in the same position of the working piston and the retraction piston, the relevant volume of the steam antechamber is independent of the position of the piston.

Der Rückzugkolben kann ein Differentialkolben sein, der mit dem Arbeitskolben über eine Kolbenstange verbunden ist und eine stangenseitige ringförmige Fläche und eine stangenabseitige vom in der Dampfvorkammer anstehenden Druck beaufschlagte Fläche hat, die größer ist als die stangenseitige Fläche. Werden beiden Flächen mit dem in der Dampfvorkammer anstehenden Druck beaufschlagt, so ist die effektive Rückzugfläche nur die Differenzfläche zwischen der stangenabseitigen Fläche und der stangenseitigen Fläche, die bei nur einseitiger Kolbenstange gleich dem Kolbenstangenquerschnitt ist. Ist der Rückzugkolben an seinem Außenumfang in der Dampfvorkammer geführt und unterteilt die Dampfvorkammer in zwei Teilkammern, so sind diese vorteilhafterweise fluidisch miteinander verbunden. Taucht der Rückzugkolben in die Dampfvorkammer ein, so erhält werden die beiden Funktionen „Bereitstellen einer bestimmten Menge an Dampf für die Expansion“ und „Rückzug“ mit einer sehr kompakten Bauweise erfüllt.The retraction piston can be a differential piston which is connected to the working piston via a piston rod and has an annular surface on the rod side and an area on the rod side which is acted upon by the pressure in the steam chamber and is larger than the surface on the rod side. If the pressure in the steam chamber is applied to both surfaces, the effective retraction surface is only the difference between the surface away from the rod and the surface on the rod side, which is the same as the piston rod cross-section if the piston rod is only one-sided. If the retraction piston is guided on its outer circumference in the steam pre-chamber and divides the steam pre-chamber into two sub-chambers, these are advantageously fluidically connected to one another. If the retraction piston dips into the steam antechamber, the two functions “providing a certain amount of steam for expansion” and “retraction” are fulfilled with a very compact design.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung taucht der Rückzugkolben abgedichtet in eine Rückzugkammer ein, die mit Luft gefüllt ist. Die Rückzugkammer kann dauernd mit einer Druckluftquelle verbunden sein. Fällt die durch den Druck in der Expansionskammer erzeugte, auf den Arbeitskolben wirkende Kraft nach einem Arbeitshub weg, so werden Arbeitskolben und Rückzugkolben durch den Luftdruck in der Rückzugkammer zurückgestellt.In another advantageous development, the retraction piston plunges in a sealed manner into a retraction chamber which is filled with air. The retraction chamber can be permanently connected to a source of compressed air. If the force generated by the pressure in the expansion chamber and acting on the working piston ceases to exist after a working stroke, the working piston and retraction piston are reset by the air pressure in the retraction chamber.

Es ist jedoch auch möglich, dass erst während eines Arbeitshubs in der Rückzugkammer ein Druck aufgebaut wird. Vorteilhafterweise ändert sich dann bei einer Bewegung des Arbeitskolbens mitsamt des Rückzugkolbens das Volumen der Rückzugkammer im Verhältnis zum maximalen Volumen der Rückzugkammer weniger stark als das Volumen der Verdichterkammer im Verhältnis zum maximalen Volumen der Verdichterkammer. Damit verbleibt in der Rückzugkammer nach einem Arbeitshub noch ein Restvolumen von verdichteter Luft, die auch ohne einen Luftdruck weit über dem üblichen Druck eines Druckluftsystems, der üblicherweise zwischen 5 bar und 10 bar liegt, für eine sichere Rückstellung der Kolben sorgt.However, it is also possible that a pressure is only built up in the retraction chamber during a working stroke. Advantageously, when the working piston moves together with the retraction piston, the volume of the retraction chamber changes less than the volume in relation to the maximum volume of the retraction chamber the compression chamber in relation to the maximum volume of the compression chamber. This leaves a residual volume of compressed air in the retraction chamber after a working stroke, which ensures reliable resetting of the pistons even without an air pressure well above the usual pressure of a compressed air system, which is usually between 5 bar and 10 bar.

Zwischen der Verdichterkammer und der Rückzugkammer kann ein Überströmventil angeordnet sein, über das die Rückzugkammer mit dem in der Verdichterkammer anstehenden Druck beaufschlagbar ist. Somit steht in der Rückzugkammer mindestens jeweils der Druck an, mit dem die Luft aus der Verdichterkammer verdrängt wird.An overflow valve can be arranged between the compression chamber and the retraction chamber, by means of which the retraction chamber can be subjected to the pressure present in the compression chamber. Thus, at least the pressure with which the air is displaced from the compression chamber is present in the retraction chamber.

In einfacher Weise ist das Überströmventil ein zu der Rückzugkammer hin öffnendes Rückschlagventil.In a simple way, the overflow valve is a check valve that opens towards the retraction chamber.

In besonders bevorzugter Weise ist neben dem Überströmventil auch ein Abströmventil vorhanden, über das die Rückzugkammer mit dem Ausgang des Austrittsventils fluidisch verbindbar ist. Somit kann über das Überströmventil und das Abströmventil ein Luftaustausch in der Rückzugkammer stattfinden, so dass die Temperatur der sich in der Rückzugkammer befindlichen Luft nicht über die Maßen hoch wird. In a particularly preferred manner, in addition to the overflow valve, there is also an outflow valve via which the retraction chamber can be fluidically connected to the outlet of the outlet valve. Air can thus be exchanged in the retraction chamber via the overflow valve and the outflow valve, so that the temperature of the air in the retraction chamber does not become excessively high.

Vorteilhafterweise ist das Abströmventil ein Druckdifferenzventil, das öffnet, wenn der Druck in der Rückzugkammer um ein bestimmtes Maß höher ist als der Druck am Ausgang des Austrittsventils. Dann kann während der Ausschubphase, während der Luft aus der Verdichterkammer in ein Druckluftsystem verdrängt wird und der Druck in der Verdichterkammer gleich dem Druck im Druckluftsystem ist und während der weiteren Bewegung des Arbeitskolbens nicht mehr wesentlich ansteigt, der Druck in der Rückzugkammer um die am Überströmventil eingestellte Druckdifferenz höher als der Druck im Druckluftsystem werden. Zugleich begrenzt das Überströmventil den Druck in der Rückzugkammer auf einen um eine bestimmte Druckdifferenz über dem Druck im Druckluftsystem liegenden Druck.The discharge valve is advantageously a pressure differential valve which opens when the pressure in the retraction chamber is a certain amount higher than the pressure at the outlet of the outlet valve. Then, during the extension phase, during which air is displaced from the compression chamber into a compressed air system and the pressure in the compression chamber is equal to the pressure in the compressed air system and no longer increases significantly as the working piston continues to move, the pressure in the retraction chamber can be reduced by that of the overflow valve set pressure difference higher than the pressure in the compressed air system. At the same time, the overflow valve limits the pressure in the retraction chamber to a pressure which is a certain pressure difference above the pressure in the compressed air system.

In einfacher Weise ist das Abströmventil ein vorgespanntes Rückschlagventil, das zur Rückzugkammer hin sperrt.In a simple manner, the discharge valve is a preloaded check valve that blocks the retraction chamber.

Die Rückzugkammer hat zweckmäßigerweise einen Eingang zum Anschließen einer Speiseleitung. Dem Eingang ist ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, zugeordnet ist, mit dem der Eingang gegen das Austreten von Luft aus der Rückzugkammer absperrbar ist. Über die Speiseleitung kann der Arbeitskolben für den Start der Kolbenmaschine in die Ausgangsstellung zu Beginn eines Arbeitshubs gebracht werden. Da das Abströmventil erst bei einer gewissen Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Rückzugkammer und dem Druck am Ausgang des Austrittsventils öffnet, ist ein Druckaufbau in der Rückzugkammer auch dann möglich, wenn am Ausgang des Austrittventils kein Druck oder nur ein sehr niedriger Druck ansteht.The retraction chamber expediently has an inlet for connecting a feed line. A valve, in particular a check valve, with which the input can be shut off against the escape of air from the retraction chamber, is assigned to the input. The working piston for starting the piston machine can be brought into the starting position at the beginning of a working stroke via the feed line. Since the discharge valve only opens when there is a certain pressure difference between the pressure in the retraction chamber and the pressure at the outlet of the outlet valve, a pressure build-up in the retraction chamber is possible even if there is no pressure or only a very low pressure at the outlet of the outlet valve.

Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen dampfbetriebenen Kolbenmaschine sind in den Zeichnungen stark schematisiert dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.Two exemplary embodiments of a steam-operated piston engine according to the invention are shown in a highly schematic manner in the drawings. The invention will now be explained in more detail using the figures of these drawings.

Es zeigen

1 das erste Ausführungsbeispiel, bei dem der Rückzugkolben in eine Dampfvorkammer eintaucht, nach Vollendung eines Arbeitshubs,
2 das erste Ausführungsbeispiel zu Beginn eines Rückhubs,
3 das erste Ausführungsbeispiel im Rückhub,
4 das erste Ausführungsbeispiel in der Ausgangsstellung für einen Arbeitshub,
5 das erste Ausführungsbeispiel im Arbeitshub,
6 das erste Ausführungsbeispiel am Ende eines Arbeitshubs und
7 das zweite Ausführungsbeispiel, bei dem der Rückzugkolben abgedichtet in eine mit Luft gefüllte Rückzugkammer eintaucht.

Show it

1 the first embodiment, in which the retraction piston is immersed in a steam chamber after completion of a working stroke,
2 the first embodiment at the beginning of a return stroke,
3 the first embodiment in the return stroke,
4th the first embodiment in the starting position for a working stroke,
5 the first embodiment in the working stroke,
6th the first embodiment at the end of a working stroke and
7th the second embodiment, in which the retraction piston is sealed and immersed in an air-filled retraction chamber.

Die dampfbetriebene Kolbenmaschine gemäß den 1 bis 6 ist einfachwirkend und hat ein Gehäuse 10, in dem zwei Zylinder 11 und 12 ausgebildet sind, die koaxial zueinander ausgerichtet sind, von denen der Zylinder 11 im Durchmesser größer als der Zylinder 12 ist und zwischen deren Innenräumen 13 und 14 sich eine Stirnwand 15 des größeren Zylinders 11 befindet. Die Stirnwand 15 hat eine zentrale Öffnung 16. Der im Durchmesser kleinere Zylinder 12 ist in Richtung der gemeinsamen Mittelachse 17 der beiden Zylinder länger als der Zylinder 11.The steam-powered piston engine according to 1 to 6th is single-acting and has a housing 10 in which two cylinders 11 and 12 are formed which are coaxially aligned with each other, of which the cylinder 11 larger in diameter than the cylinder 12 is and between their interiors 13th and 14th an end wall 15th of the larger cylinder 11 is located. The front wall 15th has a central opening 16 . The cylinder with a smaller diameter 12 is in the direction of the common central axis 17th the two cylinders longer than the cylinder 11 .

In dem Zylinder 11 ist ein Arbeitskolben 20 in Richtung der Mittelachse 17 geradlinig bewegbar. Der Arbeitskolben 20 unterteilt den Innenraum 13 des Zylinders 11 in eine Expansionskammer 21, die sich auf der der Stirnwand 15 des Gehäuses 10 abgewandten Seite des Arbeitskolbens 20 befindet, und in eine Verdichterkammer 22, die sich auf der der Stirnwand 15 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 20 befindet. Die dem Druck in der Expansionskammer ausgesetzte Wirkfläche des Arbeitskolbens 20 ist mit 18, die dem Druck in der Verdichterkammer 22 ausgesetzte Wirkfläche des Arbeitskolbens 20 ist mit 19 bezeichnet.In the cylinder 11 is a working piston 20th in the direction of the central axis 17th can be moved in a straight line. The working piston 20th divides the interior 13th of the cylinder 11 into an expansion chamber 21st which is on the of the bulkhead 15th of the housing 10 remote side of the working piston 20th is located, and in a compression chamber 22nd which is on the of the bulkhead 15th facing side of the working piston 20th is located. The pressure in the expansion chamber exposed working area of the working piston 20th is with 18th that corresponds to the pressure in the compression chamber 22nd exposed working area of the working piston 20th is with 19th designated.

Der Expansionskammer 21 sind ein Expansionsventil 25, das eine geöffnete und eine geschlossene Stellung einnehmen kann und über das heißer, unter Druck stehender Dampf eines organischen Arbeitsmediums in die Expansionskammer strömen kann, und ein Dampfauslassventil 26 zugeordnet, über das Dampf aus der Expansionskammer 21 zu einer Arbeitsmediumsenke ausströmen kann. Der Verdichterkammer sind ein Saugventil 27, über das Luft in die Verdichterkammer einströmen kann, und ein Druckventil 28 zugeordnet, über das verdichtete Luft in ein Druckluftsystem verdrängt werden kann. Das Saugventil 27 und das Druckventil 28 können einfache Rückschlagventile sein, wobei das Saugventil zu der Verdichterkammer hin und das Druckventil zu dem Druckluftsystem hin öffnet.The expansion chamber 21st are an expansion valve 25th , which can assume an open and a closed position and through which hot, pressurized steam of an organic working medium can flow into the expansion chamber, and a steam outlet valve 26th assigned, via the steam from the expansion chamber 21st can flow out to a working medium sink. The compression chamber are a suction valve 27 , through which air can flow into the compression chamber, and a pressure valve 28 assigned, via which compressed air can be displaced into a compressed air system. The suction valve 27 and the pressure valve 28 can be simple check valves, with the suction valve opening towards the compression chamber and the pressure valve opening towards the compressed air system.

Der Innenraum 14 des Zylinders 12 dient der Ausbildung einer Dampfvorkammer 34, die stromauf des Expansionsventils 25 und stromab eines Vorkammereinlassventils 35 an den Fluidpfad angeschlossen ist, über den Dampf der Expansionskammer 21 zuströmen kann. In dem Innenraum 14 ist ein Stellkolben 36 angeordnet, der über eine einseitig an ihm befestigte Kolbenstange 37, die aus dem Zylinder 12 herausragt von einem Elektromotor 38 zum Beispiel über einen Spindeltrieb geradlinig bewegbar ist. Der durch den Stellkolben abgedichtete Teilraum des Innenraums 14, der sich stangenabseitig des Stellkolbens 36 befindet stellt die Dampfvorkammer 34 dar. Durch eine Verstellung des Stellkolbens 36 kann das Volumen der Dampfvorkammer 50 zwischen einer minimalen Größe und einer maximalen Größe stufenlos verändert werden. Die minimale Größe ist durch einen im Zylinder 12 umlaufenden Innenkragen 39, gegen den der Stellkolben 36 anlaufen kann, vorgegeben. Durch die Größe der Dampfvorkammer 34 wird bestimmt, wieviel Dampf bei einem gegebenen Druck für einen Arbeitshub zur Verfügung steht.The interior 14th of the cylinder 12 serves to form a steam antechamber 34 upstream of the expansion valve 25th and downstream of an antechamber inlet valve 35 is connected to the fluid path via the steam of the expansion chamber 21st can flow in. In the interior 14th is an adjusting piston 36 arranged by a piston rod attached to one side 37 coming out of the cylinder 12 protrudes from an electric motor 38 for example, can be moved in a straight line via a spindle drive. The subspace of the interior sealed by the actuating piston 14th , which is on the rod side of the actuating piston 36 is the steam antechamber 34 by adjusting the setting piston 36 can be the volume of the steam antechamber 50 can be changed continuously between a minimum size and a maximum size. The minimum size is by one in the cylinder 12 all-round inner collar 39 against which the actuating piston 36 can start, given. Due to the size of the steam antechamber 34 it determines how much steam is available for a working stroke at a given pressure.

Die Dampfvorkammer 34 dient aber nicht nur der Bereitstellung einer bestimmten Dampfmenge für den nächsten Arbeitshub, sondern sie stellt auch eine Stellkammer für einen Rückzugkolben 40 dar, mit dessen Hilfe der Arbeitskolben 20 nach einem Arbeitshub in eine Ausgangsstellung für den nächsten Arbeitshub zurückbewegt wird. Der Rückzugkolben 40 befindet sich, von dem Stellkolben 36 aus gesehen jenseits des Innenkragens 39 und hat einen Außendurchmesser, der bis auf das für eine leichte Beweglichkeit notwendige Spiel gleich dem Innendurchmesser des Innenraums 14 ist, und ist somit von dem Zylinder 12 geführt. Über eine Kolbenstange 41, die durch die zentrale Öffnung in der Stirnwand 15 abgedichtet hindurchgeht und deren Durchmesser wesentlich kleiner als der Durchmesser des Rückzugkolbens 40 ist, zum Beispiel nur ein Fünftel bis ein Siebtel des Durchmessers des Rückzugkolbens beträgt, ist der Rückzugkolben 40 fest mit dem Arbeitskolben 20 verbunden. Die Dampfvorkammer 34 ist in Richtung der Mittelachse 17, in die sich die beiden Kolben 20 und 40 bewegen mindestens so lang, dass der Arbeitskolben 20 einen vollen Hub von der einen zur anderen Stirnwand des Zylinders 11 ausführen kann und der Rückzugkolben 40 einen solchen Hub nicht blockiert.The steam antechamber 34 but not only serves to provide a certain amount of steam for the next working stroke, it also provides an actuating chamber for a retraction piston 40 represents, with the help of which the working piston 20th after a working stroke is moved back into a starting position for the next working stroke. The retraction piston 40 is located by the actuating piston 36 seen from beyond the inner collar 39 and has an outer diameter that is equal to the inner diameter of the interior, except for the play necessary for easy mobility 14th is, and is thus from the cylinder 12 guided. Via a piston rod 41 coming through the central opening in the front wall 15th sealed and whose diameter is much smaller than the diameter of the retraction piston 40 is, for example, only one fifth to one seventh the diameter of the retraction piston, is the retraction piston 40 firmly to the working piston 20th connected. The steam antechamber 34 is in the direction of the central axis 17th into which the two pistons 20th and 40 move at least as long as the working piston 20th a full stroke from one end wall to the other of the cylinder 11 can perform and the retraction piston 40 does not block such a hub.

Die kolbenstangenabseitige Fläche am Rückzugkolben 40 ist mit 43 und die kolbenstangenseitige Fläche am Rückzugkolben 40, die wegen der Kolbenstange 41 kleiner als die Fläche 43 ist, ist mit 44 bezeichnet.The surface on the retraction piston remote from the piston rod 40 is with 43 and the piston rod side surface on the retraction piston 40 that because of the piston rod 41 smaller than the area 43 is, is with 44 designated.

Der ringförmige Teilraum kolbenstangenseitig des Rückzugkolbens 40 und der Teilraum zwischen dem Rückzugkolben 40 und dem Stellkolben 36 sind über einen Kanal 42 fluidisch dauernd miteinander verbunden. Somit ist die effektiv wirksame Rückzugfläche 45 am Rückzugkolben 40 genauso groß wie der Querschnitt der zentralen Öffnung 16 in der Stirnwand 15 und der Querschnitt der Kolbenstange 41. Die Dampfvorkammer 34 setzt sich aus den beiden Teilräumen beidseits des Rückzugkolbens 40 zusammen und ändert bei einer Bewegung des Rückzugkolbens ihr Volumen um das Volumen, mit dem sich die Kolbenstange 41 mehr oder weniger in der Dampfvorkammer 34 befindet. Diese Volumenänderung ist jedoch ohne Belang, da es auf das Volumen der Dampfvorkammer 34 zu Beginn eines Arbeitshubs ankommt.The annular subspace on the piston rod side of the retraction piston 40 and the partial space between the retraction piston 40 and the control piston 36 are over a channel 42 permanently connected to each other fluidically. This is the effective retreat area 45 on the retraction piston 40 as large as the cross-section of the central opening 16 in the front wall 15th and the cross section of the piston rod 41 . The steam antechamber 34 consists of the two sub-spaces on both sides of the retraction piston 40 and changes in volume when the retraction piston moves by the volume with which the piston rod moves 41 more or less in the steam antechamber 34 is located. However, this change in volume is irrelevant since it affects the volume of the steam antechamber 34 arrives at the beginning of a working stroke.

In 1 sind die Bauteile der dampfbetriebenen Kolbenmaschine in einem Ruhezustand gezeigt, in dem die Kolbenstange 41 bezüglich des Zylinders 11 voll ausgefahren ist. Das Vorkammereinlassventil 35, das Expansionsventil 25 und das Dampfauslassventil 26 sind geschlossen. Alle Teilräume der Zylinder 11 und 12 sind drucklos.In 1 the components of the steam-powered piston engine are shown in a state of rest in which the piston rod 41 regarding the cylinder 11 is fully extended. The antechamber inlet valve 35 , the expansion valve 25th and the steam release valve 26th are closed. All subspaces of the cylinders 11 and 12 are pressureless.

Um nun den Betrieb der Kolbenmaschine zu starten, werden das Vorkammereinlassventil 35 und das Dampfauslassventil 26 geöffnet. Über das Vorkammereinlassventil 35 strömt unter Druck stehender Dampf in die Dampfvorkammer 34 ein. Dieser Zustand ist in 2 gezeigt. Durch entsprechende Positionierung des Stellkolbens 36 kann das Expansionsverhältnis der Dampfvorkammer zur Expansionskammer 21 eingestellt werden. Durch das Einströmen des Dampfes steigt der Druck in der Dampfvorkammer 34 an. Der Druck steht auch an der effektiven Rückzugfläche des Rückzugkolbens 40 an und erzeugt dort eine Kraft, die den Rückzugkolben 40 und den Arbeitskolben 20 derart bewegen, dass sich das Volumen der Expansionskammer 21 verkleinert und sich das Volumen der Verdichterkammer 22 vergrößert. Dabei wird Dampf, der sich in der Expansionskammer 21 befindet über das Dampfauslassventil 26 ausgeschoben. Über das Saugventil 27 wird Luft in die Verdichterkammer 22 gesaugt. Gemäß 3 nehmen der Arbeitskolben 20 und der Rückzugkolben 40 eine Zwischenposition zwischen ihren beiden Endpositionen ein, während gemäß 4 die Ausgangsstellung für einen Arbeitshub erreicht ist.In order to start the operation of the piston machine, the antechamber inlet valve 35 and the steam release valve 26th open. Via the antechamber inlet valve 35 pressurized steam flows into the steam antechamber 34 a. This state is in 2 shown. By positioning the setting piston accordingly 36 can be the expansion ratio of the steam antechamber to the expansion chamber 21st can be set. As the steam flows in, the pressure in the steam antechamber increases 34 at. The pressure is also on the effective retraction area of the retraction piston 40 and there creates a force that pulls the retraction piston 40 and the working piston 20th move so that the volume of the expansion chamber 21st decreases and the volume of the compression chamber 22nd enlarged. This creates steam that is in the expansion chamber 21st located above the steam outlet valve 26th pushed out. Via the suction valve 27 becomes air in the compression chamber 22nd sucked. According to 3 take the working piston 20th and the retraction piston 40 an intermediate position between its two end positions, while according to 4th the starting position for a working stroke has been reached.

Nun werden das Vorkammereinlassventil 35 und das Dampfauslassventil 26 geschlossen. Danach wird das Expansionsventil 25 geöffnet, so dass Dampf aus der Dampfvorkammer 34 in die Expansionskammer 21 expandiert. Der Dampfdruck erzeugt am Arbeitskolben 20 eine Kraft, die den Arbeitskolben 20 und mit ihm den Rückzugkolben 40 derart bewegt, dass sich das Volumen der Expansionskammer 21 vergrößert und sich das Volumen der Verdichterkammer 22 verkleinert, wie dies aus 5 hervorgeht. Der Luftdruck in der Verdichterkammer 22 steigt an und erreicht schließlich den Druck im Druckluftsystem. Anschließend wird über das Druckventil 28 Luft aus der Verdichterkammer 22 in das Druckluftsystem ausgeschoben.Now the antechamber inlet valve 35 and the steam release valve 26th closed. After that the expansion valve 25th opened so that steam from the steam antechamber 34 into the expansion chamber 21st expands. The steam pressure generated on the working piston 20th a force that controls the working piston 20th and with it the retraction piston 40 moves so that the volume of the expansion chamber 21st increases and the volume of the compression chamber 22nd scaled down like this 5 emerges. The air pressure in the compression chamber 22nd increases and eventually reaches the pressure in the compressed air system. Then the pressure valve 28 Air from the compression chamber 22nd pushed out into the compressed air system.

Schließlich ist der volle Arbeitshub gemacht und der Arbeitskolbenbefindet sich an der Stirnwand 15 des Zylinders 11, wie dies in 6 gezeigt ist. Nun wird das Expansionsventil geschlossen, so dass wieder der Ausgangszustand gemäß 1 erreicht ist und ein neuer Zyklus beginnen kann.Finally the full working stroke is done and the working piston is on the front wall 15th of the cylinder 11 like this in 6th is shown. Now the expansion valve is closed, so that the initial state according to 1 is reached and a new cycle can begin.

Auch die dampfbetriebene Kolbenmaschine gemäß 7 ist einfachwirkend und hat ein Gehäuse 50, in dem zwei Zylinder 51 und 52 mit Innenräumen 53 und 54 ausgebildet sind, die koaxial zueinander ausgerichtet sind und von denen der Zylinder 51 im Durchmesser größer als der Zylinder 52 ist. Die Innenräume sind im ganzen Querschnitt des Innenraums 54 offen zueinander, ein Durchgang zwischen den beiden Innenräumen hat also denselben Querschnitt wie der Innenraum 54 des Zylinders 52 selbst. Eine Stirnwand 55 des größeren Zylinders 51 begrenzt diesen also nur nach au-ßen. Der im Durchmesser kleinere Zylinder 52 ist in Richtung der gemeinsamen Mittelachse 17 der beiden Zylinder länger als der Zylinder 51.Even the steam-powered piston engine according to 7th is single-acting and has a housing 50 in which two cylinders 51 and 52 with interiors 53 and 54 are formed which are coaxially aligned with one another and of which the cylinder 51 larger in diameter than the cylinder 52 is. The interiors are in the entire cross-section of the interior 54 open to each other, a passage between the two interior spaces has the same cross-section as the interior space 54 of the cylinder 52 itself. An end wall 55 of the larger cylinder 51 so only limits this to the outside. The cylinder with a smaller diameter 52 is in the direction of the common central axis 17th the two cylinders longer than the cylinder 51 .

In dem Zylinder 51 ist ein Arbeitskolben 60 mit den Wirkflächen 58 und 59 in Richtung der Mittelachse 17 geradlinig bewegbar. Der Arbeitskolben 60 unterteilt den Innenraum 53 des Zylinders 51 in eine Expansionskammer 61, die sich auf der der Stirnwand 55 des Gehäuses 50 abgewandten Seite des Arbeitskolbens 60 befindet, und in eine Verdichterkammer 62, die sich auf der der Stirnwand 55 zugewandten Seite des Arbeitskolbens 60 befindet.In the cylinder 51 is a working piston 60 with the active surfaces 58 and 59 in the direction of the central axis 17th can be moved in a straight line. The working piston 60 divides the interior 53 of the cylinder 51 into an expansion chamber 61 which is on the of the bulkhead 55 of the housing 50 remote side of the working piston 60 is located, and in a compression chamber 62 which is on the of the bulkhead 55 facing side of the working piston 60 is located.

Der Expansionskammer 61 sind ein Expansionsventil 65, das eine geöffnete und eine geschlossene Stellung einnehmen kann und über das heißer, unter Druck stehender Dampf eines organischen Arbeitsmediums in die Expansionskammer strömen kann, und ein Dampfauslassventil 66 zugeordnet, über das Dampf aus der Expansionskammer 61 zu einer Arbeitsmediumsenke ausströmen kann. Der Verdichterkammer sind ein Saugventil 67, über das Luft in die Verdichterkammer einströmen kann, und ein Druckventil 68 zugeordnet, über das verdichtete Luft in ein Druckluftsystem verdrängt werden kann. Das Saugventil 67 und das Druckventil 68 können einfache Rückschlagventile sein, wobei das Saugventil zu der Verdichterkammer hin und das Druckventil zu dem Druckluftsystem hin öffnet.The expansion chamber 61 are an expansion valve 65 , which can assume an open and a closed position and through which hot, pressurized steam of an organic working medium can flow into the expansion chamber, and a steam outlet valve 66 assigned, via the steam from the expansion chamber 61 can flow out to a working medium sink. The compression chamber are a suction valve 67 , through which air can flow into the compression chamber, and a pressure valve 68 assigned, via which compressed air can be displaced into a compressed air system. The suction valve 67 and the pressure valve 68 can be simple check valves, with the suction valve opening towards the compression chamber and the pressure valve opening towards the compressed air system.

Stromauf des Expansionsventils 65 befindet sich eine Dampfvorkammer 74, in die über ein Vorkammereinlassventils 75 Dampf einströmen kann. Mit Hilfe eines verstellbaren Stellkolbens 76 kann das Volumen der Dampfvorkammer 50 zwischen einer minimalen Größe und einer maximalen Größe stufenlos verändert werden. Durch die Größe der Dampfvorkammer 74 wird bestimmt, wieviel Dampf bei einem gegebenen Druck für einen Arbeitshub zur Verfügung steht.Upstream of the expansion valve 65 there is a steam antechamber 74 , into which via an antechamber inlet valve 75 Steam can flow in. With the help of an adjustable adjusting piston 76 can be the volume of the steam antechamber 50 can be changed continuously between a minimum size and a maximum size. Due to the size of the steam antechamber 74 it determines how much steam is available for a working stroke at a given pressure.

Mit dem Arbeitskolben 60 ist ein plungerartiger Rückzugkolben 80 mit einem dem Querschnitt des Rückzugkolbens entsprechenden Rückzugfläche 85 zusammengesetzt, der abgedichtet in den Innenraum 54 des Zylinders 52 hineinragt. Dabei sind die Länge des Zylinder 52 und die Eintauchtiefe des Rückzugkolbens 80 in den Zylinder 52 so aufeinander abgestimmt, dass auch bei maximaler Eintauchtiefe des Rückzugkolbens vor diesem noch ein eine Rückzugkammer 56 darstellender Freiraum von gewisser Länge verbleibt. In der Ausgangsstellung für den Arbeitshub, in der der Rückzugkolben 80 am wenigsten weit in den Zylinder 52 eingetaucht ist, ist der Freiraum vor dem Rückzugkolben 80 also länger als die maximale Hubstrecke.With the working piston 60 is a plunger-like retraction piston 80 with a retraction surface corresponding to the cross section of the retraction piston 85 composed of sealed in the interior 54 of the cylinder 52 protrudes. Where are the length of the cylinder 52 and the immersion depth of the retraction piston 80 in the cylinder 52 coordinated in such a way that even with the maximum immersion depth of the retraction piston there is still a retraction chamber in front of it 56 remaining free space of a certain length. In the starting position for the working stroke, in which the retraction piston 80 least far into the cylinder 52 is submerged, the free space is in front of the retraction piston 80 thus longer than the maximum stroke distance.

In einer Leitung zwischen dem Innenraum 54 des Zylinders 52 und der Verdichterkammer 62 ist ein Rückschlagventil 81 angeordnet, das zum Innenraum 54 hin öffnet, so dass aus der Verdichterkammer 62 Luft in den Innenraum 54 strömt, wenn der Druck in der Verdichterkammer 62 höher ist als in dem Innenraum 54. In einer Leitung zwischen dem Innenraum 54 und dem Ausgang des Druckventils 68 ist ein vorgespanntes Rückschlagventil 82 angeordnet, das von dem Innenraum 54 zu dem Ausgang des Druckventils 68 öffnet, wenn der Druck in dem Innenraum 54 um eine bestimmte Druckdifferenz höher ist als am Ausgang des Druckventils 68 und damit in einem Druckluftsystem, in das über das Druckventil 68 Druckluft gefördert wird. Die Druckdifferenz kann zum Beispiel zwischen 4 und 8 bar liegen. Schließlich ist der Innenraum 54 über ein Rückschlagventil 83, das zu ihm hin öffnet, mit einer Druckluftspeiseleitung 84 verbindbar.In a line between the interior 54 of the cylinder 52 and the compression chamber 62 is a check valve 81 arranged that to the interior 54 opens out so that from the compression chamber 62 Air in the interior 54 flows when the pressure in the compression chamber 62 higher than in the interior 54 . In a line between the interior 54 and the outlet of the pressure valve 68 is a preloaded check valve 82 arranged by the interior 54 to the outlet of the pressure valve 68 opens when the pressure in the interior 54 is higher by a certain pressure difference than at the outlet of the pressure valve 68 and thus in a compressed air system, in which via the pressure valve 68 Compressed air is promoted. The pressure difference can be between 4 and 8 bar, for example. Finally, the interior is 54 via a check valve 83 , which opens to him, with a compressed air feed line 84 connectable.

Es sei angenommen, dass in der 7 der Arbeitskolben 60 und der Rückzugkolben 80 in einer Position mitten in einem Arbeitshub gezeigt sind. Das Dampfauslassventil 66 und das Vorkammereinlassventil 75 seien geschlossen, das Expansionsventil 65 sei offen. Es strömt also Dampf aus der Dampfvorkammer 74 in die Expansionskammer 61 und schiebt die Kolben in eine solche Richtung, dass sich das Volumen der Expansionskammer 61 vergrößert und sich die Volumina der Verdichterkammer 62 und des freien Innenraums 54 verkleinern. Der Druck der Luft in der Verdichterkammer 62 und in der Rückzugkammer 56 steigt. Weil sich die Verdichterkammer 62 bei einer bestimmten Wegstrecke der Kolben 60 und 80 prozentual stärker verkleinert als die Rückzugkammer 56, steigt der Druck in der Verdichterkammer 62 stärker an als in der Rückzugkammer 56 und wird schließlich höher als der Druck in der Rückzugkammer 56. Dann öffnet das Rückschlagventil 81 und der Druck in der Rückzugkammer steigt im Folgenden mit dem Druck in der Verdichterkammer 62 an. Schließlich erreicht der Druck die Höhe des Drucks stromab des Druckventils 68, so dass dieses öffnet und Luft aus der Verdichterkammer 62 über das Druckventil 68 in das Druckluftsystem verdrängt wird. Auf dem weiteren Weg der Kolben steigt der Druck in der Verdichterkammer 62 allenfalls noch mit dem Druck im Druckluftsystem an, während die Luft in der Rückzugkammer 56 weiter verdichtet wird und der Druck in der Rückzugkammer über den Druck im Druckluftsystem stromab des Druckventils 68 ansteigt. Bei einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Rückzugkammer 56 und dem Druck im Druckluftsystem öffnet das vorgespannte Rückschlagventil 82. Es strömt nun Luft aus der Rückzugkammer 56 in das Druckluftsystem. Somit wird bei jedem Arbeitshub durch das Zuströmen von Luft über das Rückschlagventil 81 in die Rückzugkammer 56 und das Abströmen von Luft über das Rückschlagventil 82 aus der Rückzugkammer wenigstens ein Teil der sich in der Rückzugkammer befindlichen Luft ausgetauscht und damit eine Überhitzung vermieden.Assume that in the 7th the working piston 60 and the retraction piston 80 are shown in a position in the middle of a working stroke. The steam outlet valve 66 and the antechamber inlet valve 75 be closed, the expansion valve 65 be open. So steam flows out of the steam antechamber 74 into the expansion chamber 61 and pushes the piston in such a direction that the volume of the expansion chamber increases 61 increases and the volumes of the compression chamber 62 and the free interior 54 zoom out. The pressure of the air in the compression chamber 62 and in the retreat chamber 56 increases. Because the compression chamber 62 at a certain distance the piston 60 and 80 smaller percentage than the retraction chamber 56 , the pressure in the compression chamber rises 62 stronger than in the retreat chamber 56 and eventually becomes higher than the pressure in the retraction chamber 56 . Then the check valve opens 81 and the pressure in the retraction chamber subsequently increases with the pressure in the compression chamber 62 at. Eventually the pressure reaches the level of the pressure downstream of the pressure valve 68 so that this opens and air out of the compression chamber 62 via the pressure valve 68 is displaced into the compressed air system. As the pistons move further, the pressure in the compression chamber increases 62 at most with the pressure in the compressed air system, while the air in the retraction chamber 56 is further compressed and the pressure in the retraction chamber via the pressure in the compressed air system downstream of the pressure valve 68 increases. At a certain pressure difference between the pressure in the retraction chamber 56 and the pressure in the compressed air system opens the preloaded check valve 82 . Air now flows out of the retraction chamber 56 into the compressed air system. With each working stroke, air flows in via the check valve 81 into the retreat chamber 56 and the outflow of air via the check valve 82 at least part of the air in the retraction chamber is exchanged from the retraction chamber, thus avoiding overheating.

Für den Rückzug werden das Expansionsventil 65 geschlossen und das Dampfauslassventil 66 geöffnet, so dass sich die Kolben 60 und 80 unter der Wirkung der verdichteten Luft in der Rückzugkammer 56 in die Ausgangsposition für einen Arbeitshub zurückbewegen. Während des Rückhubs wird das Vorkammereinlassventil 75 geöffnet, so dass die Dampfvorkammer 74 gefüllt wird.The expansion valve is used for the withdrawal 65 closed and the steam outlet valve 66 opened so that the piston 60 and 80 under the action of the compressed air in the retreat chamber 56 move back to the starting position for one working stroke. During the return stroke, the antechamber inlet valve opens 75 opened so that the steam chamber 74 is filled.

Nach einer Betriebspause ist die Position des Arbeitskolbens und des Rückzugskolbens unbestimmt. Ebenso ist der Luftdruck in der Rückzugkammer 56 unbestimmt. Um die Kolbenmaschine in jedem Fall starten zu können, kann an die Rückzugkammer über das Rückschlagventil 83 eine Speiseleitung angeschlossen werden, über die die Rückzugkammer mit einem Druck beaufschlagt werden kann, um den Arbeitskolben 60 in die Ausgangsposition für einen Arbeitshub zu bringen. Die Vorspannung des Rückschlagventils 82 lässt dabei einen notwendigen Druckaufbau in der Rückzugkammer auch dann zu, wenn der Druck am Ausgang des Druckventils 68 sehr niedrig ist oder dort gar Atmosphärendruck herrscht.After a break in operation, the position of the working piston and the retraction piston is indefinite. Likewise, the air pressure is in the retraction chamber 56 indefinite. In order to be able to start the piston machine in any case, the retraction chamber can be accessed via the check valve 83 a feed line can be connected via which the retraction chamber can be pressurized to the working piston 60 in the starting position for a working stroke. The bias of the check valve 82 allows a necessary pressure build-up in the retraction chamber even if the pressure at the outlet of the pressure valve 68 is very low or there is even atmospheric pressure.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: Gehäusecasing
1111: Zylindercylinder
1212th: Zylindercylinder
1313: Innenraum von 11Interior from 11
1414th: Innenraum von 12Interior from 12
1515th: Stirnwand von 11Front wall of 11
1616: zentrale Öffnung in 15central opening in 15
1717th: Mittelachse von 11 und 12Central axis of 11 and 12
1818th: Wirkfläche an 20Effective area on 20
1919th: Wirkfläche an 20Effective area on 20
2020th: ArbeitskolbenWorking piston
2121st: ExpansionskammerExpansion chamber
2222nd: VerdichterkammerCompression chamber
2525th: ExpansionsventilExpansion valve
2626th: DampfauslassventilSteam outlet valve
2727: SaugventilSuction valve
2828: DruckventilPressure valve
3434: DampfvorkammerSteam chamber
3535: VorkammereinlassventilPrechamber inlet valve
3636: StellkolbenControl piston
3737: Kolbenstange an 36Piston rod on 36
3838: ElektromotorElectric motor
3939: InnenkragenInner collar
4040: RückzugkolbenRetraction piston
4141: Kolbenstange zwischen 20 und 40Piston rod between 20 and 40
4242: Kanalchannel
4343: Fläche an 40Area at 40
4444: Fläche an 40Area at 40
4545: RückzugflächeRetreat area
5050: Gehäusecasing
5151: Zylindercylinder
5252: Zylindercylinder
5353: Innenraum von 51Interior of 51
5454: Innenraum von 52Interior of 52
5555: Stirnwand von 51Front wall of 51
5656: RückzugkammerRetreat chamber
5858: Wirkfläche an 60Effective area at 60
5959: Wirkfläche an 60Effective area at 60
6060: ArbeitskolbenWorking piston
6161: ExpansionskammerExpansion chamber
6262: VerdichterkammerCompression chamber
6565: ExpansionsventilExpansion valve
6666: DampfauslassventilSteam outlet valve
6767: SaugventilSuction valve
6868: DruckventilPressure valve
7474: DampfvorkammerSteam chamber
7575: VorkammereinlassventilPrechamber inlet valve
7676: StellkolbenControl piston
8080: RückzugkolbenRetraction piston
8181: Rückschlagventilcheck valve
8282: vorgespanntes Rückschlagventilpreloaded check valve
8383: Rückschlagventilcheck valve
8484: DruckluftspeiseleitungCompressed air feed line
8585: Rückzugfläche an 80Retreat area at 80

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 8908188 A1 [0002]WO 8908188 A1 [0002]

Claims

Dampfbetriebene Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse (10, 50) mit einem in dem Gehäuse (10, 50) in einem Arbeitshub und in einem Rückhub geradlinig beweglichen Arbeitskolben (20, 60), der mit einer ersten Wirkfläche (19, 59) an eine Verdichterkammer (22, 62) und mit einer der ersten Wirkfläche (19, 59) abgewandten, zweiten Wirkfläche (18, 58) an eine Expansionskammer (21, 61) angrenzt, mit einem Expansionsventil (25, 65) zum Einlassen von Dampf in die Expansionskammer (21. 61) und mit einem Dampfauslassventil (26, 66) zum Auslassen von Dampf aus der Expansionskammer (21, 61), mit einem Eintrittsventil (27, 67) zum Einlassen von Luft in die Verdichterkammer (22, 62) und mit einem Austrittsventil (28, 68) zum Auslassen von verdichteter Luft aus der Verdichterkammer (22, 62), dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitskolben (20, 60) auf Seiten der Verdichterkammer (22, 62) mit einem Rückzugkolben (40, 80) verbunden ist, der eine mit einem Druck beaufschlagbare effektive Rückzugsfläche (43, 85) hat, die kleiner ist als die zweite Wirkfläche (18, 58) des Arbeitskolbens (20, 60) .Steam-powered piston engine, with a housing (10, 50) with a working piston (20, 60) which can be moved in a straight line in the housing (10, 50) in a working stroke and in a return stroke and which has a first active surface (19, 59) on a compression chamber (22, 62) and with a second active surface (18, 58) facing away from the first active surface (19, 59) adjoins an expansion chamber (21, 61), with an expansion valve (25, 65) for admitting steam into the expansion chamber (21. 61) and with a steam outlet valve (26, 66) for discharging steam from the expansion chamber (21, 61), with an inlet valve (27, 67) for admitting air into the compression chamber (22, 62) and with a Outlet valve (28, 68) for discharging compressed air from the compression chamber (22, 62), characterized in that the working piston (20, 60) is connected to a retraction piston (40, 80) on the side of the compression chamber (22, 62) , which has an effective retraction area (43, 85 ) which is smaller than the second effective area (18, 58) of the working piston (20, 60).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 1, wobei stromauf des Expansionsventils (25, 65) eine Dampfvorkammer (34, 74) ausgebildet ist, die über ein Vorkammereinlassventil (35, 75) mit Dampf befüllbar ist und deren Volumen veränderbar ist.Steam powered piston engine according to Claim 1 wherein a steam antechamber (34, 74) is formed upstream of the expansion valve (25, 65), which can be filled with steam via an antechamber inlet valve (35, 75) and the volume of which can be changed.

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 2, wobei das Volumen der Dampfvorkammer (34, 74) durch Verschieben eines Stellkolbens (36, 76) veränderbar ist.Steam powered piston engine according to Claim 2 , wherein the volume of the steam antechamber (34, 74) can be changed by moving an adjusting piston (36, 76).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 2 oder 3, wobei der Rückzugkolben (40) in die Dampfvorkammer (34) eintaucht.Steam powered piston engine according to Claim 2 or 3 , wherein the retraction piston (40) is immersed in the steam antechamber (34).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 4, wobei der Rückzugkolben (40) ein Differentialkolben ist, der mit dem Arbeitskolben (20) über eine Kolbenstange (37) verbunden ist und eine stangenseitige ringförmige Fläche (44) und eine stangenabseitige vom in der Dampfvorkammer (34) anstehenden Druck beaufschlagte Fläche (43) hat, die größer ist als die stangenseitige Fläche (44).Steam powered piston engine according to Claim 4 The retraction piston (40) being a differential piston which is connected to the working piston (20) via a piston rod (37) and has an annular surface (44) on the rod side and a surface (43) on the rod-remote side which is acted upon by the pressure in the steam chamber (34) ) which is larger than the rod-side surface (44).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 5, wobei der Rückzugkolben (40) an seinem Außenumfang in der Dampfvorkammer (34) geführt ist und die Dampfvorkammer (34) in zwei Teilkammern unterteilt, die fluidisch miteinander verbunden sind.Steam powered piston engine according to Claim 5 , the retraction piston (40) being guided on its outer circumference in the steam antechamber (34) and the steam antechamber (34) being divided into two sub-chambers which are fluidically connected to one another.

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei der Rückzugkolben (80) abgedichtet in eine Rückzugkammer (56) eintaucht, die mit Luft gefüllt ist.Steam-powered piston engine according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the retraction piston (80) immersed in a sealed manner into a retraction chamber (56) which is filled with air.

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 7, wobei sich bei einer Bewegung des Arbeitskolbens (60) mitsamt des Rückzugkolbens (80) das Volumen der Rückzugkammer (56) im Verhältnis zum maximalen Volumen der Rückzugkammer (56) weniger stark ändert als das Volumen der Verdichterkammer (62) im Verhältnis zum maximalen Volumen der Verdichterkammer (62).Steam powered piston engine according to Claim 7 , with a movement of the working piston (60) together with the retraction piston (80) the volume of the retraction chamber (56) in relation to the maximum volume of the retraction chamber (56) changes less than the volume of the compression chamber (62) in relation to the maximum volume the compression chamber (62).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei zwischen der Verdichterkammer (62) und der Rückzugkammer (56) ein Überströmventil (81) angeordnet ist, über das die Rückzugkammer (56) mit dem in der Verdichterkammer (62) anstehenden Druck beaufschlagbar ist.Steam powered piston engine according to Claim 7 or 8th , wherein an overflow valve (81) is arranged between the compression chamber (62) and the retraction chamber (56), via which the retraction chamber (56) can be subjected to the pressure in the compression chamber (62).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 9, wobei das Überströmventil (81) ein zu der Rückzugkammer (56) hin öffnendes Rückschlagventil ist.Steam powered piston engine according to Claim 9 , wherein the overflow valve (81) is a check valve that opens towards the retraction chamber (56).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 9 oder 10, wobei die Rückzugkammer (56) über ein Abströmventil (82) mit dem Ausgang des Austrittsventils (68) fluidisch verbindbar ist.Steam powered piston engine according to Claim 9 or 10 wherein the retraction chamber (56) can be fluidically connected to the outlet of the outlet valve (68) via an outflow valve (82).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 11, wobei das Abströmventil (82) ein Druckdifferenzventil ist, das öffnet, wenn der Druck in der Rückzugkammer (56) um ein bestimmtes Maß höher ist als der Druck am Ausgang des Austrittsventils (68).Steam powered piston engine according to Claim 11 , wherein the discharge valve (82) is a pressure differential valve which opens when the pressure in the retraction chamber (56) is a certain amount higher than the pressure at the outlet of the outlet valve (68).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach Patentanspruch 11, wobei das Abströmventil (82) ein vorgespanntes Rückschlagventil ist, das zur Rückzugkammer (56) hin sperrt.Steam powered piston engine according to Claim 11 , wherein the discharge valve (82) is a preloaded check valve that blocks the retraction chamber (56).

Dampfbetriebene Kolbenmaschine nach einem der Patentansprüche 7 bis 12, wobei die Rückzugkammer (56) einen Eingang zum Anschließen einer Speiseleitung hat und wobei dem Eingang ein Ventil (83), insbesondere ein Rückschlagventil, zugeordnet ist, mit dem der Eingang gegen das Austreten von Luft aus der Rückzugkammer (56) absperrbar ist.Steam-powered piston engine according to one of the Claims 7 to 12 wherein the retraction chamber (56) has an inlet for connecting a feed line and wherein the inlet is assigned a valve (83), in particular a check valve, with which the inlet can be shut off against the escape of air from the retraction chamber (56).