DE102009044930A1

DE102009044930A1 - Gasexpansionsmotor

Info

Publication number: DE102009044930A1
Application number: DE102009044930A
Authority: DE
Inventors: Ernst Beck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-04-07
Also published as: EP2480761A1; WO2011035778A1; EP2480761B1

Abstract

Ein Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, umfasst eine Druckgasquelle (2), mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (3) mit jeweils einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung (3) ein elektronisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie ein elektronisches Steuergerät (12), welches das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasexpansionsmotor, insbesondere einen Druckluftmotor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasexpansionsmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, der umfasst:
eine Druckgasquelle;
mindestens eine Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben, wobei die Kolbenzylinderanordnung ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie
eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches Steuergerät sein.
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 zwei Zylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben vorgesehen, wobei die Kolben für ihren Rückhub zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches Steuergerät sein.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind das Einlassventil und/oder das Auslassventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
Um einen Unterdruck im Arbeitsraum, insbesondere wenn mit geringer Luftmenge gearbeitet wird, und damit ein augenblickliches Stoppen des Kolbens bzw. des Motors zu verhindern, ist vorzugsweise ein in Richtung auf den Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet und so auf Umgebungsdruck hält. Vorteilhafterweise ist das Rückschlagventil im Kolben oder im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
Vorzugsweise ist im Zylinder oder im Zylinderkopfdeckel eine Heizung zum Erwärmen des Arbeitsraumes vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum 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.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist außerdem ein Druckspeicher vorgesehen, der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Bei abgeschalteter Druckluftzufuhr kann der Druckluftmotor so ohne Umbau als Kompressor betrieben werden, indem bei entsprechender Ansteuerung der Ein- und Auslassventile der im Arbeitsraum herrschende Überdruck durch das Überdruckventil in den Druckspeicher gefördert wird. Vorteilhafterweise ist auch dieses Rückschlagventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
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:
1, 2 den erfindungsgemäßes Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrer einen Totpunktlage (1) und in ihrer anderen Totpunktlage (2).
Der in 1 und 2 gezeigte Druckluftmotor 1 weist eine Druckluftquelle (z. B. Druckluftflasche) 2 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 elektronisch ansteuerbares Einlassventil 8, das den Zylinder- oder Arbeitsraum 9 des Zylinders 4 mit der Druckluftquelle 2 verbindet;
– ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil 10, das den Arbeitsraum 9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbindet,
– ein in Richtung auf den Arbeitsraum 9 öffnendes Rückschlag- bzw. Saugventil 11, das bei einem im Arbeitsraum 9 gegenüber dem Atmosphärendruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre verbindet; und
– ein elektronisches Steuergerät 12, welches auf den oberen bzw. unteren Totpunkt der Kolben 5 justiert ist und die Ein- und Auslassventile 8, 10 in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert.

Wie in den Figuren gezeigt, sind die Ein- und Auslassventile 8, 10 außerhalb des Zylinders 4 angeordnet. Alternativ können das Einlassventil 8 und/oder das Auslassventil 10 auch am Zylinder 4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel 13 des Zylinders 4 angeordnet sein. Die Einlass- und Auslassventile 8, 10 sind vorzugsweise 2/2-Wege-Magnetventile.
Wie in den Figuren gezeigt, ist das Saugventil 11 in der Kolbenfläche des Kolbens 5 angeordnet und verbindet so den Arbeitsraum 9 mit dem zur Atmosphäre hin offenen, rückwärtigen Zylinderraum. Alternativ kann das Saugventil 11 ebenfalls im Zylinderkopfdeckel 13 angeordnet sein.
Im Zylinder 4 und auch im Zylinderkopfdeckel 13, in der die vom Einlassventil 10 zum Arbeitsraum 9 führende Druckluftleitung 14 verläuft, ist eine Heizung 15 zum Erwärmen des Arbeitsraumes 9 vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum 9 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. Außerdem ist der gesamte Zylinder 4 von einer Wärmeisolierung 16 umgeben, um Wärmeverluste zu vermeiden. Sofern keine Heizung und Wärmeisolierung vorgesehen sind, kann der Zylinder 4 alternativ mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen.
Außerdem kann noch ein Druckspeicher (Kompressionsraum) 17 vorgesehen sein, der über ein aus dem Arbeitsraum 9 bei einem Überdruck selbsttätig öffnendes Rückschlag- bzw. Überdruckventil 18 an den Arbeitsraum 9 angeschlossen ist. Wie in den Figuren gezeigt, ist, ist dieses Überdruckventil 18 außerhalb des Zylinders 4 angeordnet, kann jedoch alternativ auch am Zylinder 4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel 13 angeordnet sein.
Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors 1 wird im Folgenden anhand der in den Figuren linken Kolbenzylinderanordnung 3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung 3 ist analog, aber gegenläufig versetzt.
In dem in 1 gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens 5 wird das Einlassventil 8 vom Steuergerät 12 durch einen kurzen elektronischen Impuls angesteuert und öffnet kurzzeitig, damit die unter Hochdruck stehende Druckluft in den Arbeitsraum (Expansionsraum) 9 des Zylinders einströmt. Nach Schließen des Einlassventils 8 expandiert die Druckluft bis zum Expansionsendpunkt, aber höchstens bis zum Atmosphärendruck, und verschiebt dadurch den Kolben 5 nach unten. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben 5 versetzt über die Taumelscheibe 7 die Antriebsachse 19 zusammen mit einem Schwungrad 20 in Rotation. Wenn sich der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck auf Atmosphärendruck entspannt hat, bevor der untere Totpunkt erreicht ist, würde die Bewegung des Kolbens 5 augenblicklich gestoppt werden und der Druckluftmotor 1 anhalten. Um dies zu verhindern, ist das Saugventil 11 vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum 9 herrschenden Unterdruck öffnet und so den Arbeitsraum 9 bis zum Erreichen des unteren Totpunkts auf Atmosphärendruck hält, wodurch ein Stoppen des Kolbens 5 verhindert wird.
In dem in 2 gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens 5 wird das Auslassventil 10 vom Steuergerät 12 angesteuert und öffnet bis zum Erreichen des oberen Totpunkts, so dass die im Arbeitsraum 9 vorhandene Luft durch das Auslassventil 10 entweichen kann. Bevorzugt schließt das Auslassventil 10 kurz vor dem oberen Totpunkt, damit der Kolben 5 durch das verbleibende Luftpolster im Arbeitsraum 9 abgebremst wird. 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 18 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden.
Durch die Heizung 15 wird die im Arbeitsraum 9 befindliche bzw. zugeführte Druckluft erwärmt, wodurch Druck und Volumen der Druckluft erhöht werden. Folglich wird die Arbeitsleistung gesteigert und weniger Druckluft benötigt und somit der Wirkungsgrad des Druckluftmotors 1 weiter erhöht.
Ist die Druckluftzufuhr abgeschaltet, schaltet das Steuergerät 12 um, und der Druckluftmotor 1 wird ohne Umbau als Kompressor betrieben, der den im Arbeitsraum 9 herrschenden Überdruck durch das Überdruckventil 18 in den Druckspeicher 17 fördert. In diesem Fall wird durch das Saugventil 11 kalte Umgebungsluft in den Arbeitsraum 9 zur Kühlung des Kompressors eingelassen, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kompressors erhöht.
Statt der gezeigten Taumelscheibe können die beiden Kolben 5 auch durch jeden anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z. B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse 19 verbunden sein.

Claims

Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, umfassend: eine Druckgasquelle (2), mindestens eine Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die Kolbenzylinderanordnung (3) ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung (12), die das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (3) mit jeweils einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung (3) ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung (12), die das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (10) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Richtung auf den Arbeitsraum (9) öffnendes Rückschlagventil (11) vorgesehen ist, das bei einem im Arbeitsraum (9) gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet.
Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (11) im Kolben (5) oder im Zylinder (4), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4), angeordnet ist.
Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Zylinder (4), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13), eine Heizung (15) zum Erwärmen des Arbeitsraumes (9) vorgesehen ist.
Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (17), der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum (9) öffnendes Rückschlagventil (18) mit dem Arbeitsraum (9) verbunden ist.
Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (18) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) mit einer Wärmeisolierung (16) oder mit Rippen versehen ist.