EP3344852B1 - Gasexpansionsmotor und verfahren zum betreiben eines solchen gasexpansionsmotors - Google Patents

Gasexpansionsmotor und verfahren zum betreiben eines solchen gasexpansionsmotors Download PDF

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EP3344852B1
EP3344852B1 EP16762986.4A EP16762986A EP3344852B1 EP 3344852 B1 EP3344852 B1 EP 3344852B1 EP 16762986 A EP16762986 A EP 16762986A EP 3344852 B1 EP3344852 B1 EP 3344852B1
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EP
European Patent Office
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piston
valve
dead center
pressure
working chamber
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EP16762986.4A
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EP3344852A1 (de
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Ernst Beck
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B25/00—Regulating, controlling, or safety means
    • F01B25/02—Regulating or controlling by varying working-fluid admission or exhaust, e.g. by varying pressure or quantity
    • F01B25/08—Final actuators
    • F01B25/10—Arrangements or adaptations of working-fluid admission or discharge valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto

Definitions

  • the present invention relates both to a gas expansion engine, in particular a compressed air motor, comprising a compressed gas source and at least one first piston cylinder arrangement with a first cylinder, a first piston guided displaceably guided therein, a first inlet valve, which in the one, first dead center of the first piston a working space of the first Cylinder with the compressed gas source connects, and a first exhaust valve, which connects the working space with the environment in the other, second dead center of the first piston, wherein when opening the first intake valve at the first dead center, the gas present in the working space through the first piston to an overpressure, which is higher than the ambient pressure and smaller than the pressure of the compressed gas source is compressed, as well as a method for operating such a gas expansion engine.
  • a gas expansion engine in particular a compressed air motor, comprising a compressed gas source and at least one first piston cylinder arrangement with a first cylinder, a first piston guided displaceably guided therein, a first inlet valve, which in the one, first dead center of the first
  • Such a gas expansion engine is for example by the WO 2010/099941 A1 known.
  • This known gas expansion engine comprises a mechanically controllable inlet valve which connects the working chamber of the cylinder with the compressed gas source, and an outlet valve designed as a slide valve which connects the working space to the environment.
  • a gas expansion engine comprising: a mechanically controllable inlet valve which connects the working space of the cylinder with the compressed gas source, an electronically or mechanically controllable outlet valve which connects the working space with the environment, and an electronic or mechanical control, the inlet valve and the exhaust valve electronically or mechanically controls depending on the piston position.
  • This object is achieved in that when opening the first inlet valve in the first dead center, the gas present in the working space by the first piston to an overpressure which is higher than the ambient pressure and less than the pressure of the compressed gas source is compressed and that the first inlet valve is designed as a pressure relief valve which is open in the first dead center of a prevailing in the working space, predetermined pressure, to connect the first chamber, the working space of the first piston with the compressed gas source.
  • the gas expansion engine preferably comprises at least one further, second piston-cylinder arrangement with a second cylinder, a second piston displaceably guided therein, a second inlet valve which connects a working space of the second cylinder with the compressed gas source in the one, first dead center of the second piston, and a second second exhaust valve, which in the other, second dead center of the second piston the working space connects with the environment, wherein the first and the second piston are at least partially in opposite directions coupled to each other, wherein when opening the second inlet valve at the first dead center, the gas present in the working space through the second piston to an overpressure which is higher than the ambient pressure and less than Pressure of the compressed gas source is, is compressed and wherein the second inlet valve is designed as a pressure relief valve, which is open at first dead center of a prevailing in the working space, predetermined pressure, is formed to connect the working space of the second
  • the pressure-controlled inlet valve caused by opening the pressure-controlled inlet valve at top dead center pressure increase in the working space to an additional acceleration of the piston towards its bottom dead center and thus to improved efficiency of the gas expansion engine.
  • the previous pressure build-up in the working area causes the immediate response of the engine and allows high speeds.
  • the gas expansion engine according to the invention requires no electrical components and is therefore explosion-proof. Only a small amount of energy is needed for the pre-compression in the working space, which takes place until the first dead center, which comes back again during the expansion. The cooling of the gas expansion engine is low, because the work space newly supplied cold air mixes with the compressed warm air of the working space.
  • the working space is connected via a valve opening with a pressure storage chamber connected to the compressed gas source in order to connect the working space to the higher pressure of the pressure storage space when the inlet valve is open.
  • the accumulator chamber is many times larger than the working space at first dead center and directly, so without intermediate leads, connected to the working space, so that no pressure drop occurs in the pressure accumulator space when pressure gas flows from the accumulator chamber into the working space.
  • the inlet valve can be arranged in the working space, in a cylinder cover or, what is preferred, in the pressure storage space.
  • the inlet valve has a valve tappet, which is displaceably guided in the pressure accumulator space against the action of a valve closing spring and which is opened in the first dead center by the pressure prevailing in the working space.
  • the opening cross section, in particular the opening diameter, of the valve opening is preferably smaller than the front end side of the valve tappet closing the valve opening.
  • the outlet valve is a slide valve, which is formed by the piston and at least one cylinder jacket-side outlet opening, which is run over in the bottom dead center of the piston of the piston and thereby connects the working space with the environment.
  • the outlet valve can have a single cylinder jacket-side outlet opening or, which is preferred, a plurality of cylinder jacket-side outlet openings arranged at the same height.
  • the at least one cylinder jacket-side outlet opening - e.g. as a perforated sleeve - arranged on the cylinder axially displaceable and lockable to adjust over the axial position of the outlet opening the compression stroke of the piston and thus prevail in the first dead center overpressure in the working space.
  • a heater for heating the pressure storage space is provided to heat the compressed air in the pressure storage space.
  • the volume and pressure of the compressed air are much larger, and it can be done more work with less air, so that the efficiency of the air motor is further increased.
  • the cylinder is arranged on a motor housing relative to the piston axially displaceable and lockable to the axial position of the cylinder relative to the piston, the volume of the working space at the first dead center and thus the time when the predetermined pressure to open the inlet valve in the working space is to be able to adjust.
  • This change in the compression ratio results in earlier or later opening of the intake valve.
  • FIGS. 1a . 1b shown compressed air motor 1 has a compressed air source (eg compressed air cylinder) 2 with eg 10 bar and two piston cylinder assemblies 3 , each with a cylinder 4 and a piston 5 slidably guided therein.
  • the two pistons 5 each drive via a connecting rod 6 to a rotatably mounted swash plate 7 and are coupled in motion in opposite directions via the swash plate 7.
  • the two piston cylinder assemblies 3 are of identical construction and each comprise an inlet valve 8 which connects the cylinder or working chamber 9 of the cylinder 4 directly to an accumulator 10 (approximately 10 bar) connected to the pressurized gas source 2 and several cylinders arranged at the same height in the cylinder jacket , the piston 5 5 overflowable outlet openings 11th
  • the outlet openings 11 are arranged at such a height that they are run over by the piston 5 only in the bottom dead center of the piston 5 and thus open into the working space 9 and the working space 9 with the environment, ie with the atmosphere, connect, like this in Fig. 1a for the right piston 5 and in Fig. 1b for the left piston 5 is shown.
  • the outlet openings 11 form together with the piston 5 designed as a slide valve outlet valve that connects the working space 9 with the atmosphere only in the bottom dead center of the piston 5.
  • the accumulator chamber 10 is connected via an opening 12 to the compressed air source 2 and connected via a valve opening 13 in the cylinder head cover 14 with the working space 9.
  • the cylinder head cover 14 simultaneously forms a wall of the pressure accumulator space 10.
  • the inlet valve 8 is designed as a pressure relief valve 10 arranged in the pressure relief valve, the valve opening 13 at a prevailing in the working space 9, predetermined overpressure (eg 5 bar) releases.
  • the inlet valve 13 comprises a valve tappet 15 , which is sealed in the pressure storage chamber 10 in a guide sleeve 16 and guided against the action of a valve closing spring 17 slidably.
  • closed valve position shown closes the valve plunger 15 with its one, front end face 15a of the valve opening 13.
  • the opening diameter d of the orifice 13 is smaller than the diameter of the front end face 15a of the valve plunger 15 and thus represents the effective pressure diameter to which the in the working chamber 9 prevailing pressure in the valve opening direction acts.
  • rear end face 15b of the valve stem 15 acts atmospheric pressure. If the opening force acting on the valve tappet 15 is greater than the closing force acting on the valve tappet 15 due to the valve closing spring 17 and the atmospheric pressure acting on the rear end side 15b of the valve tappet 15, the valve tappet 15 lifts from the valve opening 13, and the inlet valve 8 opens.
  • the pressure storage chamber 10 may optionally be provided for heating the pressure accumulator chamber 10, a heating 18 to heat the compressed air in the accumulator chamber 10.
  • a heating 18 to heat the compressed air in the accumulator chamber 10.
  • the volume and pressure of the compressed air are much larger, and it can be done more work with less air, so that the efficiency of the air motor is further increased.
  • the cylinder 4 may be provided with ribs (not shown) to dissipate the cold generated during the expansion of the compressed air to the environment.
  • the workflow of the air motor 1 is described below with reference to in FIGS. 1a . 1b left piston cylinder assembly 3 described.
  • the workflow of the right piston cylinder assembly 3 is analog but offset in opposite directions.
  • the compressed air expands further and thereby displaces the piston 5 down to its bottom dead center.
  • the compressed air cools down during its expansion.
  • the piston 5 is offset via the swash plate 7, a drive shaft 19 together with a flywheel 20 in rotation.
  • the outlet openings 11 are crossed by the piston 5 and now connect the working space 9 with the atmosphere, so that the pressure prevailing in the working space 9 overpressure is lowered to atmospheric pressure.
  • the piston-cylinder arrangement 3 is designed (eg via the volume of the working chamber 9 in the top and bottom dead center, the high pressure in the pressure storage chamber 10, the predetermined overpressure, etc.) that when the top dead center is reached, at least the predetermined opening required for opening the inlet valve 8 Overpressure (eg 5 bar) prevails in the working space 9 and that on reaching the bottom dead center there is still an excess pressure (eg 2 bar) in the working space 9 and thus the piston 5 always reaches its bottom dead center.
  • Overpressure eg 5 bar
  • the return movement (return phase) of the left piston 5 from the bottom to the top dead center is effected in operation by the right piston 5, which is due to its opposition in its expansion phase.
  • the pistons 5 are also driven by the flywheel 20 on and can thus easily overcome their dead points in operation.
  • the pressure increase in the working chamber 9 caused by opening the inlet valve 8 at top dead center leads to an additional acceleration of the piston 5 in the direction of its bottom dead center and thus to an improved efficiency of the compressed air motor 1.
  • the higher the predetermined overpressure required to open the inlet valve 8 The greater the gas density present in the working space 9 and the faster a pressure difference from the pressure storage chamber 10 is transmitted to the piston 5 as a pressure pulse.
  • the higher the predetermined overpressure of the intake valve 8 the faster it will become accelerates the same pressure difference of the piston 5 in the direction of its bottom dead center.
  • the two pistons 5 may also be connected to each other and to the drive axle 19 by any other known coupling mechanism (e.g., crankshaft).
  • any other known coupling mechanism e.g., crankshaft
  • the cylinder 4 can be arranged on a motor housing 21 against the piston axially displaceable (double arrow 22 ) and lockable to the axial position of the cylinder 4 relative to the piston 5, the volume of the working space 9 at the first dead center and thus the time when the predetermined overpressure for opening the intake valves 8 in the working space 9 is reached, to be able to adjust.
  • This change in the compression ratio results in earlier or later opening of the intake valve.
  • the cylinders 4 together with their intake valves 8 can be axially displaceably guided on the motor housing 21 via a clamping device 23, which is only schematically indicated here, and clamped in the desired position.
  • Fig. 3 shows an alternative mechanically controlled intake valve 8 ' , in which the piston 5 has a cam pin 24 , which projects through the valve opening 13 at top dead center and the valve stem 15 has lifted from the cylinder head cover 14.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, umfassend eine Druckgasquelle und mindestens eine, erste Kolbenzylinderanordnung mit einem ersten Zylinder, einem darin verschiebbar geführten ersten Kolben, einem ersten Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des ersten Kolbens einen Arbeitsraum des ersten Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem ersten Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des ersten Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, wobei bei Öffnen des ersten Einlassventils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den ersten Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist, als auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasexpansionsmotors.
  • Ein derartiger Gasexpansionsmotor ist beispielsweise durch die WO 2010/099941 A1 bekannt geworden.
  • Dieser bekannte Gasexpansionsmotor umfasst ein mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein als Schieberventil ausgeführtes Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet.
  • Aus der DE 10 2009 044 930 A1 ist weiterhin ein Gasexpansionsmotor bekannt, der umfasst: ein mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
  • Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Gasexpansionsmotor der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Öffnen des ersten Einlassventils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den ersten Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und dass das erste Einlassventil als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, ausgebildet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum des ersten Kolbens mit der Druckgasquelle zu verbinden.
  • Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Totpunkt des Kolbens nicht nur der exakte Totpunkt verstanden, sondern auch Abweichungen vom exakten Totpunkt von bis zu ± 10% des gesamten Kolbenhubs zwischen den beiden Totpunkten.
  • Bei nur einer einzigen Kolbenzylinderanordnung kann der erforderliche Rückhub des Kolbens beispielsweise durch die Schwungmasse des Motors erfolgen. Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor umfasst bevorzugt jedoch mindestens eine weitere, zweite Kolbenzylinderanordnung mit einem zweiten Zylinder, einem darin verschiebbar geführten zweiten Kolben, einem zweiten Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des zweiten Kolbens einen Arbeitsraum des zweiten Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem zweiten Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des zweiten Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, wobei der erste und der zweite Kolben zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind, wobei bei Öffnen des zweiten Einlassventils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den zweiten Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und wobei das zweite Einlassventil als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, ausgebildet ist, um im oberen Totpunkt den Arbeitsraum des zweiten Kolbens mit der Druckgasquelle zu verbinden.
  • Erfindungsgemäß führt die durch Öffnen des druckgesteuerten Einlassventils im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Gasexpansionsmotors. Je höher der im Arbeitsraum herrschende Druck bei Öffnen des Einlassventils bereits ist, desto größer ist die im Arbeitsraum vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum auf den Kolben als Druckimpuls übertragen. Der vorherige Druckaufbau im Arbeitsraum bewirkt das sofortige Ansprechen des Motors und ermöglicht hohe Drehzahlen.
  • Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor benötigt keine elektrischen Bauteile und ist daher explosionssicher. Für die bis zum ersten Totpunkt stattfindende Vorverdichtung im Arbeitsraum ist nur eine geringe Energie notwendig, die bei der Expansion wieder zurückkommt. Die Abkühlung des Gasexpansionsmotors ist gering, weil sich die dem Arbeitsraum neu zugeführte kalte Luft mit der komprimierten warmen Luft des Arbeitsraumes mischt.
  • Vorzugsweise ist der Arbeitsraum über eine Ventilöffnung, mit einem an die Druckgasquelle angeschlossenen Druckspeicherraum verbunden, um bei geöffnetem Einlassventil den Arbeitsraum mit dem höheren Druck des Druckspeicherraums zu verbinden. Der Druckspeicherraum ist um ein Vielfaches größer als der Arbeitsraum im ersten Totpunkt und unmittelbar, also ohne zwischengeschaltete Zuleitungen, mit dem Arbeitsraum verbunden, so dass im Druckspeicherraum kein Druckabfall auftritt, wenn Druckgas aus dem Druckspeicherraum in den Arbeitsraum abströmt.
  • Das Einlassventil kann im Arbeitsraum, in einem Zylinderdeckel oder, was bevorzugt ist, im Druckspeicherraum angeordnet sein.
  • Besonders vorteilhaft weist das Einlassventil einen Ventilstößel auf, der im Druckspeicherraum gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder verschiebbar geführt ist und der in dem ersten Totpunkt von dem im Arbeitsraum herrschenden Überdruck geöffnet wird. Bevorzugt ist dabei der Öffnungsquerschnitt, insbesondere Öffnungsdurchmesser, der Ventilöffnung kleiner als die die Ventilöffnung verschließende vordere Stirnseite des Ventilstößels. Für den Fall, dass die der Ventilöffnung abgewandte, hintere Stirnseite des Ventilstößels gegenüber dem Druckspeicherraum abgedichtet ist, kann auf die hintere Stirnseite des Ventilstößels nur Umgebungsdruck wirken, um die auf den Ventilstößel wirkende Ventilschließkraft möglichst klein zu halten.
  • Besonders vorteilhaft ist das Auslassventil ein Schieberventil, das durch den Kolben und mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung gebildet ist, welche in dem unteren Totpunkt des Kolbens von dem Kolben überfahren ist und dadurch den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet.
  • Das Auslassventil kann eine einzige zylindermantelseitige Auslassöffnung oder, was bevorzugt ist, mehrere auf gleicher Höhe angeordnete, zylindermantelseitige Auslassöffnungen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist die mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung - z.B. als Lochhülse - am Zylinder axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position der Auslassöffnung den Kompressionshub des Kolbens und damit den im ersten Totpunkt herrschen Überdruck im Arbeitsraum einstellen zu können.
  • Vorzugsweise ist eine Heizung zum Erwärmen des Druckspeicherraumes vorgesehen, um die Druckluft im Druckspeicherraum aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird.
  • Besonders bevorzugt ist der Zylinder an einem Motorgehäuse gegenüber dem Kolben axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position des Zylinders gegenüber dem Kolben das Volumen des Arbeitsraums im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum Öffnen des Einlassventils im Arbeitsraum erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres Öffnen des Einlassventils.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Gasexpansionsmotors, insbesondere eines Druckluftmotor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
    • Komprimieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den ersten Totpunkt auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist,
    • Verbinden des Arbeitsraums mit der Druckgasquelle durch druckgesteuertes Öffnen des Einlassventils im oberen Totpunkt,
    • Expandieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den zweiten Totpunkt, und
    • Verbinden des Arbeitsraums mit der Umgebung durch Öffnen des Auslassventils im zweiten Totpunkt.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • Fign. 1a, 1b
    einen erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrem einen Totpunkt (Fig. 1a) und in ihrem anderen Totpunkt (Fig. 1b); und
    Fig. 2
    eine Detailansicht eines in Fig. 1 gezeigten Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geschlossenen Ventilstellung; und
    Fig. 3
    eine Detailansicht eines alternativen, nicht erfindungsgemäßen Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geöffneten Ventilstellung.
  • Der in Fign. 1a , 1b gezeigte Druckluftmotor 1 weist eine Druckluftquelle (z.B. Druckluftflasche) 2 mit z.B. 10 bar und zwei Kolbenzylinderanordnungen 3 mit jeweils einem Zylinder 4 und einem darin verschiebbar geführten Kolben 5 auf. Die beiden Kolben 5 treiben jeweils über eine Pleuelstange 6 eine drehbar gelagerte Taumelscheibe 7 an und sind über die Taumelscheibe 7 gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt.
  • Die beiden Kolbenzylinderanordnungen 3 sind identisch aufgebaut und umfassen jeweils ein Einlassventil 8, das den Zylinder- oder Arbeitsraum 9 des Zylinders 4 unmittelbar mit einem an die Druckgasquelle 2 angeschlossenen Druckspeicherraum 10 (ca. 10 bar) verbindet, und mehrere im Zylindermantel auf gleicher Höhe angeordnete, vom Kolben 5 überfahrbare Auslassöffnungen 11. Die Auslassöffnungen 11 sind dabei auf solch einer Höhe angeordnet, dass sie nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 vom Kolben 5 überfahren sind und somit in den Arbeitsraum 9 münden und den Arbeitsraum 9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbinden, wie dies in Fig. 1a für den rechten Kolben 5 und in Fig. 1b für den linken Kolben 5 gezeigt ist. Die Auslassöffnungen 11 bilden zusammen mit dem Kolben 5 ein als Schieberventil ausgebildetes Auslassventil, das nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre verbindet.
  • Wie in Fig. 2 im Detail gezeigt, ist der Druckspeicherraum 10 über eine Öffnung 12 an die Druckluftquelle 2 angeschlossen und über eine Ventilöffnung 13 im Zylinderkopfdeckel 14 mit dem Arbeitsraum 9 verbunden. Der Zylinderkopfdeckel 14 bildet gleichzeitig eine Wand des Druckspeicherraums 10.
  • Das Einlassventil 8 ist als ein im Druckspeicherraum 10 angeordnetes Überdruckventil ausgeführt, das die Ventilöffnung 13 bei einem im Arbeitsraum 9 herrschenden, vorbestimmten Überdruck (z.B. 5 bar) freigibt. Das Einlassventil 13 umfasst einen Ventilstößel 15, der im Druckspeicherraum 10 in einer Führungshülse 16 abgedichtet und gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder 17 verschiebbar geführt ist. In der in Fig. 2 gezeigten geschlossenen Ventilstellung verschließt der Ventilstößel 15 mit seiner einen, vorderen Stirnseite 15a die Ventilöffnung 13. Der Öffnungsdurchmesser d der Ventilöffnung 13 ist kleiner als der Durchmesser der vorderen Stirnseite 15a des Ventilstößels 15 und stellt somit den wirksamen Druckdurchmesser dar, auf den der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck in Ventilöffnungsrichtung wirkt. Auf die andere, hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkt Atmosphärendruck. Wenn die auf den Ventilstößel 15 wirkende Öffnungskraft aufgrund eines im Arbeitsraum 9 herrschenden Überdrucks größer ist als die auf den Ventilstößel 15 wirkende Schließkraft aufgrund der Ventilschließfeder 17 und aufgrund des auf die hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkenden Atmosphärendrucks, hebt der Ventilstößel 15 von der Ventilöffnung 13 ab, und das Einlassventil 8 öffnet.
  • Im Druckspeicherraum 10 kann optional eine Heizung 18 zum Erwärmen des Druckspeicherraumes 10 vorgesehen sein, um die Druckluft im Druckspeicherraum 10 aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird. Auch kann der Zylinder 4 mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen.
  • Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors 1 wird im Folgenden anhand der in Fign. 1a, 1b linken Kolbenzylinderanordnung 3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung 3 ist analog, aber gegenläufig versetzt.
  • In dem in Fig. 1a gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens 5 ist die im Arbeitsraum 9 vorhandene Luft auf einen solchen Überdruck von z.B. 5 bar komprimiert, dass das Einlassventil 8 öffnet. Da der im Druckspeicherraum 10 herrschende Hochdruck (10 bar) höher ist als der im Arbeitsraum 9 herrschende Überdruck (5 bar), strömt die unter Hochdruck stehende Druckluft aus dem Druckspeicherraum 10 in den Arbeitsraum (Expansionsraum) 9 des Zylinders 4 ein. Diese zugeführte Druckerhöhung wird in Leistung des Druckluftmotors 1 umgesetzt. Aufgrund des sich mit der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 vergrößernden Arbeitsraums 9 (Expansionsphase) sinkt der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck ab, wodurch das Einlassventil 8 schließt. Danach expandiert die Druckluft weiter und verschiebt dadurch den Kolben 5 nach unten bis in seinen unteren Totpunkt. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben 5 versetzt über die Taumelscheibe 7 eine Antriebsachse 19 zusammen mit einem Schwungrad 20 in Rotation.
  • In dem in Fig. 1b gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens 5 sind die Auslassöffnungen 11 vom Kolben 5 überfahren und verbinden nun den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre, so dass der im Arbeitsraum 9 herrschende Überdruck auf Atmosphärendruck abgesenkt wird. Die Kolbenzylinderanordnung 3 ist so ausgelegt (z.B. über das Volumen des Arbeitsraums 9 in dem oberen und unteren Totpunkt, den Hochdruck im Druckspeicherraum 10, den vorbestimmten Überdruck, etc.), dass bei Erreichen des oberen Totpunkts mindestens der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck (z.B. 5 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und dass bei Erreichen des unteren Totpunkts noch ein Überdruck (z.B. 2 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und somit der Kolben 5 stets seinen unteren Totpunkt erreicht.
  • Die Rückstellbewegung (Rückstellphase) des linken Kolbens 5 vom unteren zum oberen Totpunkt wird im Betrieb durch den rechten Kolben 5 bewirkt, der sich aufgrund seiner Gegenläufigkeit in seiner Expansionsphase befindet. In der Rückstellphase werden die Kolben 5 außerdem vom Schwungrad 20 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden.
  • Die durch Öffnen des Einlassventils 8 im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum 9 führt zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Druckluftmotors 1. Je höher der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck ist, desto größer ist die im Arbeitsraum 9 vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum 10 auf den Kolben 5 als Druckimpuls übertragen. Je höher also der vorbestimmte Überdruck des Einlassventils 8 ist, desto schneller wird bei gleicher Druckdifferenz der Kolben 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt beschleunigt.
  • Statt der gezeigten Taumelscheibe 7 können die beiden Kolben 5 auch durch jeden anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z.B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse 19 verbunden sein.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, können die Zylinder 4 an einem Motorgehäuse 21 gegenüber dem Kolben axial verschiebbar (Doppelpfeil 22) und feststellbar angeordnet sein, um über die axiale Position der Zylinder 4 gegenüber den Kolben 5 das Volumen des Arbeitsraums 9 im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum Öffnen der Einlassventile 8 im Arbeitsraum 9 erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres Öffnen des Einlassventils. Die Zylinder 4 samt ihren Einlassventilen 8 können über eine hier nur schematisch angedeutete Klemmvorrichtung 23 am Motorgehäuse 21 axial verschiebbar geführt und in der gewünschten Position festgeklemmt werden.
  • Fig. 3 zeigt ein alternatives mechanisch gesteuertes Einlassventil 8', bei dem der Kolben 5 einen Nockenstift 24 aufweist, der im oberen Totpunkt durch die Ventilöffnung 13 hindurchragt und den Ventilstößel 15 von dem Zylinderkopfdeckel 14 abgehoben hat.

Claims (13)

  1. Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, umfassend:
    eine Druckgasquelle (2), und
    mindestens eine, erste Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem ersten Zylinder (4), einem darin verschiebbar geführten ersten Kolben (5), einem ersten Einlassventil (8), welches in dem einen, ersten Totpunkt des ersten Kolbens (5) einen Arbeitsraum (9) des ersten Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und einem ersten Auslassventil (5, 11), welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des ersten Kolbens (5) den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, wobei bei Öffnen des ersten Einlassventils (8) im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum (9) vorhandene Gas durch den ersten Kolben (5) auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist, komprimiert ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste Einlassventil als ein Überdruckventil (8), welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum (9) herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, ausgebildet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum (9) des ersten Kolbens (5) mit der Druckgasquelle (2) zu verbinden.
  2. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere, zweite Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem zweiten Zylinder (4), einem darin verschiebbar geführten zweiten Kolben (5), einem zweiten Einlassventil (8), welches in dem einen, ersten Totpunkt des zweiten Kolbens (5) einen Arbeitsraum (9) des zweiten Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und einem zweiten Auslassventil (5, 11), welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des zweiten Kolbens (5) den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, wobei der erste und der zweite Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind, wobei bei Öffnen des zweiten Einlassventils (8) im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum (9) vorhandene Gas durch den zweiten Kolben (5) auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist, komprimiert ist und wobei das zweite Einlassventil als ein Überdruckventil (8), welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum (9) herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, ausgebildet ist, um im oberen Totpunkt den Arbeitsraum (9) des zweiten Kolbens (5) mit der Druckgasquelle (2) zu verbinden.
  3. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (9) über eine Ventilöffnung (13) des Einlassventils (8) mit einem an die Druckgasquelle (2) angeschlossenen Druckspeicherraum (10) verbunden ist, um bei geöffnetem Einlassventil (8) den Arbeitsraum (9) mit dem höheren Druck des Druckspeicherraums (10) zu verbinden.
  4. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) im Druckspeicherraum (10) angeordnet ist.
  5. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) einen Ventilstößel (15) aufweist, der gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder (17) verschiebbar geführt ist und der im ersten Totpunkt von dem im Arbeitsraum (9) herrschenden Überdruck geöffnet wird.
  6. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt, insbesondere Öffnungsdurchmesser (d), der Ventilöffnung (13) kleiner ist als die die Ventilöffnung (13) verschließende vordere Stirnseite (15a) des Ventilstößels (15).
  7. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die der Ventilöffnung (13) abgewandte, hintere Stirnseite (15b) des Ventilstößels (15) Umgebungsdruck wirkt.
  8. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil ein Schieberventil ist, das durch den Kolben (5) und mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung (11) gebildet ist, welche in dem zweiten Totpunkt des Kolbens (5) von dem Kolben (5) überfahren ist und dadurch den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet.
  9. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil mehrere auf gleicher Höhe angeordnete, zylindermantelseitige Auslassöffnungen (11) aufweist.
  10. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung (11) am Zylinder (4) axial verschiebbar und feststellbar angeordnet ist.
  11. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung (18) zum Erwärmen des Druckspeicherraumes (10) vorgesehen ist.
  12. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5) an einem Motorgehäuse (21 gegenüber dem Kolben (5) axial verschiebbar und feststellbar angeordnet ist.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Gasexpansionsmotors (1), insbesondere eines Druckluftmotor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
    - Komprimieren des im Arbeitsraum (9) vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens (5) bis in den ersten Totpunkt auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist,
    - Verbinden des Arbeitsraums (9) mit der Druckgasquelle (2) durch druckgesteuertes gesteuertes Öffnen des Einlassventils (8) im oberen Totpunkt,
    - Expandieren des im Arbeitsraum (9) vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens (5) bis in den zweiten Totpunkt, und
    - Verbinden des Arbeitsraums (9) mit der Umgebung durch Öffnen des Auslassventils (5, 11) im zweiten Totpunkt.
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