DE102004014518B4 - Druckluftbetriebener Kolbenmotor sowie ein Ventil, welches einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen Ventilschaft und einen Ventilfuß aufweist - Google Patents

Druckluftbetriebener Kolbenmotor sowie ein Ventil, welches einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen Ventilschaft und einen Ventilfuß aufweist Download PDF

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Abstract

Duckluftbetriebener Kolbenmotor (3A, 3B, 3C), mit mindestens einem Zylinder (2), welcher einen Kolben (K) enthält, und mit mindestens einem mechanisch betätigbaren Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') und einem Druckluft-Auslass, wobei das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') ein solches Ventil ist, welches einen Ventilkörper (41, 42, 43) mit einem Ventilkopf (41), einen von diesem abstehenden Ventilschaft (42) und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf (41) beabstandeten Ventilfuß (43) aufweist, und
a) der Kolben (K) eine Ventilantriebswelle (12), nämlich eine Nockenwelle (12), mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung (N', N'''), nämlich einer Nocke (N', N'''), mechanisch gekoppelt ist,
b) die Nocke (N', N''') oberhalb des Ventilkopfes (41) an der Nockenwelle (12) angeordnet ist und mit dieser mitrotiert,
c) der Ventilschaft (42) unterhalb des Ventilkopfes (41) und der Ventilfuß (43) unterhalb des Ventilschafts (42) angeordnet ist,
d) der Ventilkopf (41) in einer Führungshülse (54) gleitbar aufgenommen ist,
e) der...

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft einen druckluftbetriebenen Kolbenmotor sowie ein Ventil, welches einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen von diesem abstehenden Ventilschaft und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf beabstandeten Ventilfuß aufweist.
  • Stand der Technik:
  • Es ist bekannt, Kolbenmotoren mit Druckluft anstatt mit Brennstoffen wie Gas oder Benzin zu betreiben. Mit Druckluft betriebene Kolbenmotoren können z. B. das Risiko beim Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen vermindern. Häufig werden druckluftbetriebene Kolbenmotoren auch als Anlasseraggregat für mit fossilen Brennstoffen betriebene Großmotoren eingesetzt. Bekannte Steuerungen der Druckluftzufuhr für luftdruckbetriebene Kolbenmotoren sind oftmals mit dem Nachteil behaftet, dass der Druckluftverbrauch sehr hoch ist, da die überschüssige nicht von der Steuerung kontrollierte Druckluft ungenutzt durch Überdruckventile abgegeben wird. Die im Stand der Technik oftmals verwendeten elektrischen Steuerungen der Druckluftzufuhr sind, abgesehen vom erforderlichen hohen technischen Aufwand, mit dem Nachteil behaftet, dass auf Grund des Einsatzes von Elektrizität die Verwendung in explosionsgefährdeten Räumen problematisch ist. Darüber hinaus besteht eine oftmals unerwünschte Abhängigkeit von elektrischer Energie, da diese im Fall von mobilem Einsatz in der Regel entweder in einer Batterie oder in einem Akkumulator zwischengespeichert oder durch einen eigenen Generator erzeugt werden muß.
  • Aus der DE 235 626 A eine elektromagnetische Steuerung für elektromagnetisch betätigte Ventile oder Schieber von Kraftmaschinen bekannt, bei welcher der zur Steuerung des Ventils oder Schiebers benötigte Strom über einen Schleifring und eine Bürste von einer rotierenden Welle abgenommen wird. Dabei wird die Bürste bei einem bestimmten Phasenwinkel der Wellenrotation mit Hilfe einer mit der Welle in Phase rotierenden unrunden Scheibe von dem Schleifring angehoben und bei einem anderen bestimmten Phasenwinkel mittels Federkraft wieder gegen den Schleifring gedrückt, so dass ein Kontaktschluss zwischen Bürste und Schleifring nur über einen bestimmten Phasenwinkelbereich der Wellenrotation hinweg besteht.
  • Aus der US 4 273 028 A ist eine Ventilsteuerung für eine Kolbenmaschine bekannt, deren Ventile elektromagnetische geöffnet werden. Die Strompulse zur Öffnung der Ventile werden mit Hilfe eines induktiven Näherungsschalters ohne mechanischen Kontakt zu rotierenden Teilen synchron zur Kolbenbewegung erzeugt. Aus der US 5 024 142 A ist ein mit Gas, wie Luft, oder Flüssigkeit, wie Wasser, angetriebener Motor bekannt geworden, welcher einen Kolben aufweist, der durch den Druck des Gases oder der Flüssigkeit hin- und herbewegt wird und dabei eine Achse antreibt. Der Gas- oder Flüssigkeitsfluss im Motor wird durch magnetisch betätigte Ventile gesteuert.
  • Die DE 100 19 809 C2 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhr für einen Zylinder eines mit Druckluft betriebenen Kolbenmotors mittels eines elektrisch betätigten Ventils, das an eine Kontakteinrichtung angeschlossen ist. An der Rotation einer von dem Kolbenmotor angetriebenen Welle nimmt ein Auslöser teil, der bei jeder Umdrehung der Welle die Kontakteinrichtung passiert und dadurch das Ventil vorübergehend in den geöffneten Zustand versetzt.
  • Aus der EP 0 062 933 A1 ist ein Luftdruck-Kolbenmotor bekannt, in dessen Zylinderkopf eine Kammer eingelassen ist. Diese weist ein variables Volumen auf und besteht aus einem Zylinder, in welchem ein Eintauchstempel gleitet. Das Volumen der Kammer hängt vom Druck der Versorgungsluft ab, welche den Luftdruck-Kolbenmotor antreibt.
  • Die AT 393 297 B offenbart einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit vier Ventilen je Zylinder und mit zwei Nockenwellen. Die Einlass- und die Auslassventile sind an gegenüberliegenden Zylinderkopfseiten angeordnet.
  • Als weiterer Stand der Technik wird die DE 23 55 794 A1 genannt, aus welchwr eine Nocken- und Stößelausbildung für hochbelastete Ventiltriebe von Kraftmaschinen hervorgeht. Der auf einer Welle angeordnete Nocken betätigt das Ventil über einen Flachstößel, wobei der Druckflächenmittelpunkt des Nockens seitlich von der Stößelmittelachse liegt und die Arbeitsfläche des Nockens in solcher Weise bogenartig ausgebildet ist, dass die Kanten der Nockenseiten den Flachstößel nicht berühren.
  • Die DE 31 21 695 A1 beschreibt ein Verfahren zum Antrieb einer Wärmepumpe, bei welchem mit dem im Gasraum des Kondensators der Wärmepumpe vorliegenden Druck eine Kraftmaschine angetrieben wird. Die Kraftmaschine kann z. B. einen Generator antreiben. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist ein pneumatischer Kolbenmotor vorgesehen.
  • Ferner wird als Stand der Technik die DE 31 21 695 A1 erwähnt, welche ein Verfahren zur verbesserten Energieausnützung beim Betrieb einer Wärmepumpe angibt. Die Wärmepumpe weist einen primärseitigen Verdampfer, einen Kompressor und einen sekundärseitigen Kondensator auf. Mit dem im Gasraum des Kondensators herrschenden Druck wird ein pneumatischer Motor und mit diesem ein elektrischer Generator angetrieben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen druckluftbetriebenen Kolbenmotor zu schaffen, welcher keinerlei elektrische Komponenten benötigt und somit unkompliziert und sehr wartungsarm ist, und welcher durch lediglich geringfügige Umbaumaßnahmen aus einem gewöhnlichen Verbrennungsmotor hergstellt werden kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen duckluftbetriebenen Kolbenmotor, mit mindestens einem Zylinder, welcher einen Kolben enthält, und mit mindestens einem mechanisch betätigbaren Einlassventil und einem Druckluft-Auslass, wobei das Einlassventil ein solches Ventil ist, welches einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen von diesem abstehenden Ventilschaft und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf beabstandeten Ventilfuß aufweist, und
    • a) der Kolben eine Ventilantriebswelle, nämlich eine Nockenwelle, mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung, nämlich einer Nocke, mechanisch gekoppelt ist,
    • b) die Nocke oberhalb des Ventilkopfes an der Nockenwelle angeordnet ist und mit dieser mitrotiert,
    • c) der Ventilschaft unterhalb des Ventilkopfes und der Ventilfuß unterhalb des Ventilschafts angeordnet ist,
    • d) der Ventilkopf in einer Führungshülse gleitbar aufgenommen ist,
    • e) der Ventilschaft in einer Lagerbuchse gleitbar aufgenommen ist,
    • f) sich unterhalb des Ventilkopfes ein Hohlraum befindet, durch welchen der Ventilschaft verläuft und welcher seitlich durch die Innenwandung der Führungshülse, nach oben durch den Ventilkopf und nach unten durch eine Bodenfläche begrenzt ist,
    • g) das Einlassventil dadurch betätigbar ist, dass die Nocke auf den Ventilkopf eine Druckkraft ausübt, welche den Ventilkörper in eine von der Nocke abgewandten Richtung unter Verkleinerung des Hohlraumes aus einer Ruhestellung auslenkt,
    und
    • h) die Nocke imstande ist, das Einlassventil mechanisch so zu betätigen, dass dasselbe – bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel φ1 jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder zum Antrieb des Kolbens freigibt, und – anschließend bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel φ2 jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle in den geschlossenen Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder sperrt,
    • i) sich oberhalb des Ventilkopfes ein zumindest seitlich und unten geschlossener Wannenraum befindet, in welchem die Nocke angeordnet ist oder in welchen die Nocke zumindest während der Betätigung des Einlassventils durch die Nocke eintaucht, wobei der Boden des Wannenraumes zumindest teilweise durch den Ventilkopf gebildet ist,
    • j) sich im Bodenbereich des Wannenraumes eine Schicht von flüssigem Schmiermittel befindet, welche zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen Nocke und Ventilkopf bedeckt, und
    • k) wenigstens ein Kanal mit seinem oberen Ende in die Schicht und mit seinem unteren Ende in den Hohlraum einmündet, so dass Schmiermittel aus der Schicht durch den Kanal in den Hohlraum gelangen kann,
    • l) und das Einlassventil einen Rückstellmechanismus zum Versetzen des Ventilkörpers in die Ruhestellung aufweist.
  • Ein erfindungsgemäßes Ventil weist einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen von diesem abstehenden Ventilschaft und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf beabstandeten Ventilfuß auf, wobei
    • a) der Ventilschaft unterhalb des Ventilkopfes und der Ventilfuß unterhalb des Ventilschafts angeordnet ist,
    • b) der Ventilkopf in einer Führungshülse gleitbar aufgenommen ist,
    • c) der Ventilschaft in einer Lagerbuchse gleitbar aufgenommen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • d) sich unterhalb des Ventilkopfes ein Hohlraum befindet, durch welchen der Ventilschaft verläuft und welcher seitlich durch die Innenwandung der Führungshülse, nach oben durch den Ventilkopf und nach unten durch eine Bodenfläche begrenzt ist,
    • e) das Ventil dadurch betätigbar ist, dass eine auf einer Nockenwelle angeordnete und mit dieser mitrotierende, oberhalb des Ventilkopfes angeordnete Nocke auf den Ventilkopf eine Druckkraft ausübt, welche den Ventilkörper in eine von der Nocke abgewandten Richtung unter Verkleinerung des Hohlraumes aus einer Ruhestellung auslenkt,
    • f) sich oberhalb des Ventilkopfes ein zumindest seitlich und unten geschlossener Wannenraum befindet, in welchem die Nocke angeordnet ist oder in welchen die Nocke zumindest während der Betätigung des Ventils durch die Nocke eintaucht, wobei der Boden des Wannenraumes zumindest teilweise durch den Ventilkopf gebildet ist,
    • g) sich im Bodenbereich des Wannenraumes eine Schicht von flüssigem Schmiermittel befindet, welche zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen Nocke und Ventilkopf bedeckt, und
    • h) wenigstens ein Kanal mit seinem oberen Ende in die Schicht und mit seinem unteren Ende in den Hohlraum einmündet, so dass Schmiermittel aus der Schicht durch den Kanal in den Hohlraum gelangen kann,
    • i) und das Ventil einen Rückstellmechanismus zum Versetzen des Ventilkörpers in die Ruhestellung aufweist.
  • Bevorzugt ist der Ventilkopf rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Ventilschafts geformt und um diese Achse rotierbar gelagert, und das Zentrum oder der Schwerpunkt der Krafteinwirkung der Nocke auf den Ventilkopf in axialer Richtung der Nockenwelle von dieser Achse beabstandet, so dass die Nocke während jeder Betätigung des Ventils ein reibungsbedingtes Drehmoment auf den Ventilkopf ausübt, welches den Ventilkopf um die Achse des Ventilschafts um einen bestimmten Winkel dreht.
  • Ein druckluftbetriebener Kolbenmotor kann mindestens einen Zylinder, welcher einen Kolben enthält, und mindestens einen mechanisch betätigbaren Einlassventil und einen Druckluft-Auslass aufweisen, wobei der Kolben eine Ventilantriebswelle mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung mechanisch gekoppelt ist, und die Betätigungseinrichtung imstande ist, das Einlassventil mechanisch so zu betätigen, dass dasselbe bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder zum Antrieb des Kolbens freigibt, und anschließend bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle in den geschlossenen Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder sperrt.
  • Der erste und der zweite Phasenwinkel beziehen sich auf die Umdrehung der Welle. Das Einlassventil und damit auch die Druckluftzufuhr für den Zylinder sind somit geöffnet, solange der Phasenwinkel der Wellenumdrehung in einem Bereich liegt, welcher zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel liegt; dieser Bereich wird im folgenden als ”Betätigungsbereich” bezeichnet.
  • Der erste und der zweite Phasenwinkel müssen selbstverständlich so gewählt sein, dass der Kolbenmotor durch diese Druckluftzufuhr antreibbar ist. Vorzugsweise weist der Kolbenmotor eine Kurbelwelle auf, welche mit der Ventilantriebswelle identisch ist oder welche die Ventilantriebswelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 schlupffrei antreibt, so dass jeder Phasenwinkel der Umdrehung der Kurbelwelle genau einem Phasenwinkel der Wellenumdrehung entspricht. In diesem Fall öffnet und schließt das Einlassventil bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle genau einmal.
  • Gemäß einer anderen Variante weist der Kolbenmotor eine Kurbelwelle auf, welche die Ventilantriebswelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 schlupffrei antreibt, so dass die Kurbelwelle mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit rotiert wie die Welle. In diesem Fall wird jeder Phasenwinkel der Umdrehung der Kurbelwelle pro Umdrehung der Ventilantriebswelle zweimal erreicht. In diesem Fall öffnet und schließt das Einlassventil im Laufe von genau zwei Umdrehungen der Kurbelwelle jeweils genau einmal, so dass die Druckluftzufuhr für den Zylinder nur im Laufe jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle freigegeben wird.
  • Vorzugsweise sind der erste und der zweite Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle so gewählt, dass die Druckluftzufuhr für den Zylinder nur dann freigegeben ist, wenn sich die Kurbelwelle in einer solchen Stellung befindet, welche einem Phasenwinkel von 20° vor Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens bis 180° nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens entspricht, d. h. bevorzugt ist in diesem Phasenwinkelbereich der Umdrehung der Kurbelwelle die Druckluftzufuhr für den Zylinder freigegeben und ansonsten gesperrt. Selbstverständlich sind hierbei auch andere Phasenwinkelbereiche der Umdrehung der Kurbelwelle, in welchen die Druckluftzufuhr für den Zylinder freigegeben ist möglich. Beispielsweise kann das Einlassventil geöffnet sein, solange sich die Umdrehung der Kurbelwelle in einem Phasenwinkelbereich von 10° vor Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens bis 10° nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens befindet. Gemäß weiterer Varianten ist das Einlassventil geöffnet, solange sich die Umdrehung der Kurbelwelle in einem Phasenwinkelbereich von 5° bis 10° bzw. 10 bis 15° nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens befindet. Gemäß einer weiteren Variante ist das Einlassventil geöffnet, solange sich die Umdrehung der Kurbelwelle in einem Phasenwinkelbereich von 10° bis 5° vor Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens befindet.
  • Der Kolbenmotor muss nicht zwingend ein Einzylinder-Motor sein, vielmehr kann der Kolbenmotor auch ein solcher mit zwei oder mehr Zylindern sein. Prinzipiell kann der Kolbenmotor auch ein Kreiskolbenmotor, d. h. ein Wankel-Motor sein.
  • Das Ventil kann insbesondere als mechanisch betätigbares Einlassventil eines druckluftbetriebenen Kolbenmotors zu fungieren imstande sein, welcher einen Druckluft-Auslass sowie mindestens einen Zylinder aufweist, welcher einen Kolben enthält, wobei
    • – der Kolben eine Ventilantriebswelle mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung mechanisch gekoppelt ist, und
    • – das Einlassventil durch die Betätigungseinrichtung mechanisch so betätigbar ist, dass dasselbe bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel φ1 jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder zum Antrieb des Kolbens freigibt, und anschließend bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel φ2 jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle in den geschlossenen Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder sperrt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der druckluftbetriebene Kolbenmotor ein Zweitaktmotor mit einer Kurbelwelle, welche entweder unmittelbar durch die Ventilantriebswelle gebildet und somit mit dieser identisch ist, oder die Ventilantriebswelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 anzutreiben imstande ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der druckluftbetriebene Kolbenmotor ein Viertaktmotor mit einer Kurbelwelle, welche die Ventilantriebswelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 anzutreiben imstande ist.
  • Der Druckluft-Auslass dient dazu, über das Einlassventil eingeflossene Druckluft nach außen anzugeben, nachdem diese den Kolben in Bewegung gesetzt und sich dabei zumindest teilweise entspannt hat. Vorzugsweise ist der Druckluftauslass nur dann geöffnet, wenn sich das Einlassventil im geschlossenen Zustand befindet. Insbesondere kann der Druckluft-Auslaß z. B. so eingerichtet sein, dass er dann öffnet, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, und dann schließt, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht. Falls der druckluftbetriebene Kolbenmotor ein auf Druckluftbetrieb umgerüsteter Zweitaktmotor oder Viertaktmotor ist, kann der Auslasskanal des Zylinders vorteilhaft als Druckluft-Auslass dienen. Im Fall des Viertaktmotors wird der Auslass der Druckluft hierbei durch das Auslassventil des Zylinders gesteuert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Einlassventil ein Absperrventil vor- oder nachgeschaltet, so dass der Kolbenmotor durch Schließen des Absperrventils jederzeit abschaltbar ist und gestartet werden kann wird wie folgt:
    • a) die Kurbelwelle wird bei geschlossenem Absperrventil in eine solche Stellung gedreht, in welcher sich das Einlassventil im geöffneten Zustand befindet und welche einem auf die Kurbelwelle bezogenen Phasenwinkel zwischen 1° und 175°, vorzugsweise zwischen 5° und 15°, nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens entspricht,
    • b) das Absperrventil wird nach Ausführung des Schrittes a) geöffnet,
    so dass der Kolbenmotor ausschließlich durch Druckluft, welche den Zylinder über das Absperrventil und das Einlassventil erreicht, in Gang setzbar ist.
  • Insbesondere kann die Kurbelwelle zu Starten des Kolbenmotors im Schritt a) bei geschlossenem Absperrventil in eine solche Stellung gedreht werden, in welcher sich das Einlassventil im geöffneten Zustand befindet und welche einem auf die Kurbelwelle bezogenen Phasenwinkel zwischen 5° und 150°, vorzugsweise zwischen 8° und 10°, nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens entspricht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der druckluftbetriebene Kolbenmotor mit einer Schwungmasse gekoppelt, welche den Lauf des Kolbenmotors zu stabilisieren imstande ist.
  • Auf der Schwungmasse oder der Kurbelwelle kann vorteilhaft die Position des oberen Totpunkts des Zylinders markiert sein. Die Markierung kann insbesondere dazu dienen, es zu ermöglichen, vor dem Starten des Kolbenmotors gemäß obigem Schritt a) den Zylinder durch Drehen der Kurbelwelle auf eine Position hinter dem oberen und vor dem unteren Totpunkt zu stellen und danach die Druckluftzufuhr über das Einlassventil freizugeben, so dass ein Anfahren des Kolbenmotors ausschließlich durch Druckluft, welche den Zylinder über das Absperrventil und das Einlassventil erreicht, und somit ohne zusätzliche Hilfsmittel möglich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der druckluftbetriebene Kolbenmotor imstande, die Schwungmasse z. B. über ein Getriebe oder einen Riemen mit einem Übersetzungsverhältnis von mehr als 1:1 anzutreiben, so dass die Schwungmasse mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit rotiert als die Kurbelwelle. Der Schwungmasse kann hierbei insbesondere ein Schaltgetriebe vorgeschaltet sein, dessen Übersetzungsverhältnis zwischen verschiedenen Stufen umschaltbar ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Phasenwinkel, d. h. die Vordergrenze des Betätigungsbereiches, mittels eines Stelltriebs verstellbar. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Phasenwinkel, d. h. die Hintergrenze des Betätigungsbereiches, mittels eines Stelltriebs verstellbar. Für den Fall, dass sowohl der erste als auch der zweite Phaswenwinkel unabhängig voneinander verstellbar sind, können die Grenzen des oben definierten Betätigungsbereichs und damit die Steuerzeiten des Zylinders vorteilhafterweise nach Bedarf variiert und optimiert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist das Einlassventil um die Ventilantriebswelle in oder entgegen deren Umdrehungsrichtung schwenkbar, so dass auf diese Weise der erste und der zweite Phasenwinkel gemeinsam veränderbar sind, was zum Zweck der Optimierung des Motorbetriebes sehr vorteilhaft ist.
  • Hierbei kann das Einlassventil sehr vorteilhaft mindestens ein Drehlager aufweisen, in welchem das Einlassventil gegenüber der Ventilantriebswelle in und entgegen deren Umdrehungsrichtung schwenkbar gelagert ist und welches bei Schwenkung des Einlassventils um die Ventilantriebswelle zur Rundführung der Schwenkbewegung dient.
  • Gemäß einer speziellen Ausgestaltung dieser Variante weist das Einlassventil ein Ventilgehäuse oder ein Rahmengestell auf, welches von der Ventilantriebswelle durchragt wird und welches das oder die Drehlager aufnimmt oder trägt. In diesem Fall dient das Drehlager bzw. dienen die Drehlager bei Schwenkung des Ventilgehäuses oder des Rahmengestells und damit auch des gesamten Einlassventils um die Ventilantriebswelle zur Rundführung der Schwenkbewegung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Variante ist der Stelltrieb imstande, das Einlassventil oder das Ventilgehäuse gegenüber der Ventilantriebswelle in oder entgegen der Umdrehungsrichtung derselben zu schwenken und auf diese Weise den ersten und den zweiten Phasenwinkel gemeinsam zu verstellen. Bevorzugt ist das Ventil zur gemeinsamen Verstellung des ersten und des zweiten Phasenwinkels über einen Stelltrieb gegenüber der Ventilantriebswelle 4, 12 in oder entgegen der Umdrehungsrichtung derselben verstellbar.
  • Das Einlassventil oder das Ventilgehäuse können in einer oder einer Mehrzahl oder einer Vielzahl von Schwenkstellungen bzw. Richtungen arretierbar sein, so dass der erste und der zweite Phasenwinkel, welche sich durch entsprechendes Schwenken des Einlassventils oder des Ventilgehäuses einstellen, gegen unbeabsichtigte erneute Verstellung fixiert werden können. Die Arretierung kann mittels eines eigenen Arretiermechanismus oder z. B. durch den Stelltrieb erfolgen. Bevorzugt ist das Ventilgehäuse mindestens teilweise mit Öl gefüllt, z. B. zu 30–35%.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dass das Einlassventil imstande, sich mittels Federkraft selbsttätig in den geschlossenen oder in den geöffneten Zustand zu versetzen; insbesondere kann das Einlassventil daher ein federbelastetes Einlassventil sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Betätigungsvorrichtung einen starr mit der Ventilantriebswelle mitrotierenden Excenter auf, welcher
    • – jeweils dann, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle (4) den ersten Phasenwinkel erreicht, das Einlassventil durch mechanische Krafteinwirkung in den geöffneten Zustand versetzt,
    • – das Einlassventil jeweils dann, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle zwischen dem ersten Phasenwinkel und dem zweiten Phasenwinkel, d. h. innerhalb des Betätigungsbereiches liegt, durch mechanische Krafteinwirkung im geöffneten Zustand hält,
    • – und ansonsten nicht mechanisch auf das Einlassventil einwirkt, so dass das Einlassventil dann, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle den zweiten Phasenwinkel überschreitet, d. h. den Betätigungsbereich verläßt, mittels Federkraft in den geschlossenen Zustand versetzt wird und darin so lange verbleibt, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle erneut den ersten Phasenwinkel erreicht, d. h. erneut in den Betätigungsbereich eintritt.
  • Gemäß einer verfeinerten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Excenter hierbei ein erstes und ein zweites Excenterelement, wobei wenigstens eines der Excenterelemente gegenüber dem anderen Excenterelement um die Achse der Ventilantriebswelle verschwenkbar und an der Ventilantriebswelle drehfest fixierbar ist, und die beiden Excenterelemente so geformt und angeordnet sind, dass
    • – jeweils dann, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle den ersten Phasenwinkel erreicht, das Einlassventil durch das erste Excenterelement in den geöffneten Zustand versetzt wird,
    • – anschließend das Einlassventil jeweils für eine bestimmte erste Zeitspanne allein durch das erste Excenterelement im geöffneten Zustand gehalten wird,
    • – anschließend das Einlassventil jeweils für eine bestimmte zweite Zeitspanne durch das erste und das zweite Excenterelement gemeinsam im geöffneten Zustand gehalten wird,
    • – und danach das Einlassventil jeweils so lange allein durch das zweite Excenterelement im geöffneten Zustand gehalten wird, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle den zweiten Phasenwinkel überschreitet,
    so dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel (d. h. die Breite des Betätigungsbereichs) und damit die Öffnungsdauer des Einlassventils veränderbar ist, indem die beiden Excenterelemente relativ zueinander verschwenkt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Excenter so geformt, dass der erste und/oder der zweite Phasenwinkel durch Verschieben der Ventilantriebswelle in deren Achsenrichtung veränderbar ist bzw. veränderbar sind. Beispielsweise kann der Excenter zu diesem Zweck so geformt sein, dass sich der Winkel, unter welchem der Excenter von der Achse der Ventilantriebswelle absteht, in Achsenrichtung der Ventilantriebswelle kontinuierlich ändert. Zu diesem Zweck kann der Excenter beispielsweise eine Mittelebene besitzen, welche schräg zur Achse der Ventilantriebswelle verläuft, oder der Excenter kann die Ventilantriebswelle spiralig umlaufen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Betätigungsvorrichtung mindestens eine an der Ventilantriebswelle angeordnete Nocke, so dass die Ventilantriebswelle eine Nockenwelle ist. Das Ventil ist bevorzugt durch eine solche Betätigungseinrichtung mechanisch betätigbar, welche mindestens eine an der Ventilantriebswelle angeordnete Nocke umfasst, so dass die Ventilantriebswelle eine Nockenwelle ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Betätigungsvorrichtung ein erstes und ein zweites Betätigungselement, insbesondere zwei Nocken, wobei das Einlassventil jeweils mittels des ersten Betätigungselements in den geöffneten und danach jeweils mittels des zweiten Betätigungselements wieder in den geschlossenen Zustand versetzbar ist. Das Ventil ist bevorzugt durch eine solche Betätigungseinrichtung mechanisch betätigbar, welche ein erstes und ein zweites Betätigungselement, insbesondere zwei Nocken, umfaßt, wobei das Einlassventil jeweils mittels des ersten Betätigungselements in den geöffneten und danach jeweils mittels des zweiten Betätigungselements wieder in den geschlossenen Zustand versetzbar ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist hierbei wenigstens eines der Betätigungselemente gegenüber dem anderen Betätigungselement um die Achse der Ventilantriebswelle verschwenkbar und an der Ventilantriebswelle drehfest fixierbar, so dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel (d. h. die Breite des Betätigungsbereichs) und damit die Öffnungsdauer des Einlassventils veränderbar ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, als Druckluftleitung zwischen Einlassventil und Zylinder einen druckfesten flexiblen Schlauch zu verwenden, welcher sich an die relativen Positionsänderungen anzupassen imstande ist. Wenn beide Betätigungselemente um die Achse der Ventilantriebswelle verschwenkbar und an der Ventilantriebswelle drehfest fixierbar sind, können die Steuerzeiten des druckluftbetriebenen Kolbenmotors unabhängig eingestellt werden. Das Ventil ist bevorzugt durch eine solche Betätigungseinrichtung mechanisch betätigbar, welche ein erstes und ein zweites Betätigungselement, insbesondere zwei Nocken, umfaßt, wobei wenigstens eines der Betätigungselemente gegenüber dem anderen Betätigungselement um die Achse der Ventilantriebswelle verschwenkbar und an der Ventilantriebswelle drehfest fixierbar ist, so dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel und damit die Öffnungsdauer des Einlassventils veränderbar ist.
  • Selbstverständlich sind der erste und der zweite Phasenwinkel, d. h. die Steuerzeiten, vorzugsweise so gewählt, dass die Druckluftzufuhr zu dem Zylinder nur dann freigegeben ist, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt überschritten und seinen unteren Totpunkt noch nicht erreicht hat.
  • Vorzugsweise sind der erste und der zweite Phasenwinkel φ1, φ2 der Umdrehung der Ventilantriebswelle so gewählt, dass die Druckluftzufuhr für den Zylinder nur dann freigegeben ist, wenn sich die Kurbelwelle in einer solchen Stellung befindet, welche einem Phasenwinkelbereich 5° bis 10° nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens entspricht, d. h. bevorzugt ist in diesem Phasenwinkelbereich der Umdrehung der Kurbelwelle die Druckluftzufuhr für den Zylinder freigegeben und ansonsten gesperrt. Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßer Kolbenmotor auch mit anderen Steuerzeiten betrieben werden, d. h. der Phasenwinkelbereich der Luftdruckzufuhr zu dem Zylinder kann sowohl in einer Lage als auch in seiner Ausdehnung variiert werden. Hierzu kann ein Stelltrieb vorgesehen sein, welcher ein Verschieben des Phasenwinkelbereichs der Luftdruckzufuhr und/oder ein Verändern der Breite dieses Phasenwinkelbereichs erlaubt. Insbesondere können die Lage und/oder die Grenzen des genannten Phasenwinkelbereichs zunächst auf solcher Werte eingestellt werden, welche für ein Starten des Kolbenmotors ausschließlich mit Druckluft in oben erläuterten Weise günstig sind, und anschließend, nachdem der Kolbenmotor gestartet ist, auf solche Werte eingestellt werden, welche für einen Betrieb bzw. Dauerbetrieb des Kolbenmotors günstig sind. Diese letztgenannten Werte können auch so gewählt werden, dass der erste Phasenwinkel oder beide Phasenwinkel nach dem unteren Totpunkt und vor dem oberen Totpunkt erreicht werden.
  • Die Ventilantriebswelle kann beispielsweise nachträglich an einem herkömmlichen Zweitakt-Kolbenmotor, der auf Druckluftbetrieb umgerüstet werden soll, angeordnet und mittels eines Zahnriemens, einer Steuerkette oder eines Getriebes mit der Kurbelwelle schlupffrei verbunden werden. Die Versorgung mit Treibstoff und Zündspannung werden hierbei selbstverständlich unterbunden oder völlig entfernt.
  • Die Erfindung ermöglicht es z. B., die Vorteile eines für den Druckluftbetrieb besonders geeigneten Zweitakt-Kolbenmotors mit den Vorteilen einer präzisen Ventilsteuerung, welche mittels der Ventilantriebswelle erreicht wird, zu kombinieren.
  • Selbstverständlich kann die Übersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Ventilantriebswelle andere Werte als 1:1 aufweisen. Bei einem Übersetzungsverhältnis von z. B. 2:1 erhält der Zylinder nur bei jeder zweiten Umdrehung der Kurbelwelle Druckluft, was in der Terminologie eines Bezinmotors einem ”Viertaktbetrieb” entspricht. Selbstverständlich ist es in einem solchen Fall zweckmäßig, auch den Auslaß bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle nur einmal zu öffnen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführunfgsform ist der Kolbenmotor als Antrieb eines Fahrzeuges oder eines mobilen Gerätes zu dienen imstande und mit einem mit dem Fahrzeug oder mobilen Gerät mitführbaren Druckluft-Vorratsbehälter verbunden, welchem die Druckluft zum Betreiben des Kolbenmotors entnehmbar ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kolbenmotor zusätzlich mit einem Generator mechanisch gekoppelt, welcher zur Erzeugung von elektrischer Energie zu Beleuchtungszwecken dient.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kolbenmotor zur Druckluftversorgung für den Zylinder nacheinander an eine stationäre Drucklufterzeugungsanlage und an einen stationären oder mobilen Druckluftspeicher anschließbar, wobei die stationäre Drucklufterzeugungsanlage imstande ist, Druckluft von einem bestimmten Ausgangsdruck zu erzeugen, und mit einem Kompressor mechanisch koppelbar und imstande, diesen anzutreiben, wobei der Kompressor imstande ist, den Druckluftspeicher mit Druckluft von höherem Druck als dem Ausgangsdruck zu füllen, so dass der Kolbenmotor imstande ist, zunächst mit Hilfe des Kompressors und der stationären Drucklufterzeugungsanlage den Druckluftspeicher mit Druckluft von höherem Druck als dem Ausgangsdruck zu füllen, und anschließend mittels Druckluft aus dem Druckluftspeicher betreibbar ist. Der Druckluftspeicher kann mit dem oben erwähnten Druckluft-Vorratsbehälter identisch sein.
  • Auf diese Weise ist es möglich, den Druckluftspeicher mit hohem Druck zu füllen und dadurch einen langen autarken Betrieb des druckluftbetriebenen Kolbenmotors zu gewährleisten, ohne dass hierzu eine für den entsprechenden Druck eingerichtete und somit teure Drucklufterzeugungsanlage erforderlich ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Einlassventil einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen von diesem abstehenden Ventilschaft und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf beabstandeten Ventilfuß auf, wobei der Ventilkopf in einer Führungshülse gleitbar aufgenommen ist, der Ventilschaft in einer Lagerbuchse gleitbar aufgenommen ist, sich auf der von der Nocke abgewandten Seite des Ventilkopfes ein Hohlraum befindet, durch welchen der Ventilschaft verläuft, das Einlassventil dadurch betätigbar ist, dass die Nocke auf den Ventilkopf eine Druckkraft ausübt, welche den Ventilkörper in eine von der Nocke abgewandten Richtung unter Verkleinerung des Hohlraumes aus einer Ruhestellung auslenkt, und das Einlassventil einen Rückstellmechnismus zum Versetzen des Ventilkörpers in die Ruhestellung aufweist.
  • Hierbei können der Ventilkopf, der Ventilschaft und der Ventilfuß starr miteinander verbunden sein und gemeinsam einen starren Ventilkörper bilden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilschaft unterhalb des Ventilkopfes und der Ventilfuß unterhalb des Ventilschafts angeordnet, wobei
    • – die Nocke oberhalb und der Hohlraum unterhalb des Ventilkopfes angeordnet ist,
    • – der Hohlraum seitlich durch die Innenwandung der Führungsbuchse, nach oben durch den Ventilkopf und nach unten durch eine Bodenfläche begrenzt ist,
    • – sich oberhalb des Ventilkopfes ein zumindest seitlich und unten geschlossener Wannenraum befindet, in welchem die Nocke angeordnet ist oder in welchen die Nocke zumindest während der Betätigung des Einlassventils durch die Nocke eintaucht, wobei der Boden des Wannenraumes zumindest teilweise durch den Ventilkopf gebildet ist,
    • – sich im Bodenbereich des Wannenraumes eine Schicht von flüssigem Schmiermittel befindet, welches zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen Nocke und Ventilkopf bedeckt, und
    • – wenigstens ein Kanal mit seinem oberen Ende in die Schicht und mit seinem unteren Ende in den Hohlraum einmündet, so dass Schmiermittel aus der Schicht durch den Kanal in den Hohlraum gelangen kann,
  • Das Ventilgehäuse kann z. B. zwei voneinander beabstandete Querwände und zwei voneinander beabstandete Längswände aufweisen, welche zugleich die Seitenwandung des Wannenraumes bilden. Der Wannenraum kann oben durch eine obere Abdeckung begrenzt sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung münden mindestens zwei Kanäle jeweils mit ihrem oberen Ende in die Schicht und jeweils mit ihrem unteren Ende in den Hohlraum ein, wobei sich die Einmündungen der Kanäle in den Hohlraum in unterschiedlicher Höhe über der Bodenfläche des Hohlraumes befinden.
  • Hierbei weist bevorzugt derjenige der Kanäle den größten Durchmesser aller Kanäle auf, dessen Einmündung in den Hohlraum sich in der geringsten Höhe über der Bodenfläche des Hohlraumes befindet.
  • Bevorzugt kann Schmiermittel durch die Bewegung des Ventilkopfes aus der Schicht durch den Kanal in den Hohlraum gelangen und umgekehrt.
  • Der Ventilkopf kann rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Ventilschafts geformt und um diese Achse rotierbar gelagert sein, wobei das Zentrum oder der Schwerpunkt der Krafteinwirkung der Nocke auf den Ventilkopf in Längsrichtung der Nockenwelle von der Achse beabstandet ist, so dass die Nocke während jeder Betätigung des Einlassventils ein reibungsbedingtes Drehmoment auf den Ventilkopf ausübt, welches den Ventilkopf um die Achse des Ventilschafts um einen bestimmten Winkel dreht.
  • Ein erfindungsgemäßes Ventil weist bevorzugt einen Ventilkörper mit einem Ventilkopf, einen von diesem abstehenden Ventilschaft und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf beabstandeten Ventilfuß auf, wobei
    • – der Ventilkopf in einer Führungshülse gleitbar aufgenommen ist,
    • – der Ventilschaft in einer Lagerbuchse gleitbar aufgenommen ist,
    • – eine auf einer Nockenwelle angeordnete und mit dieser mitrotierende Nocke imstande ist, bei jeder Umdrehung der Nockenwelle vorübergehend eine den Ventilkopf in Richtung des Ventilfußes auslenkende Druckkraft auf den Ventilkopf auszuüben, wobei durch diese Auslenkung das Ventil betätigt wird,
    • – der Ventilkopf rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Ventilschafts geformt und um diese Achse rotierbar gelagert ist,
    • – das Zentrum oder der Schwerpunkt der Krafteinwirkung der Nocke den Ventilkopf in axialer Richtung der Nockenwelle von dieser Achse beabstandet ist, so dass die Nocke während jeder Betätigung des Ventils ein reibungsbedingtes Drehmoment auf den Ventilkopf ausübt, welches den Ventilkopf um die Achse des Ventilschafts um einen bestimmten Winkel dreht, und
    • – und das Ventil einen Rückstellmechnismus zum Versetzen des Ventilkörpers in die Ruhestellung aufweist.
  • Die Nocke kann insbesondere mittig zur Achse des Ventilschafts angeordnet sein, wobei der mit dem Ventilkopf in mechanischen Kontakt tretende Bereich der Nocke asymmetrisch zu einer senkrecht zur Nockenwelle und durch die Achse des Ventilschafts verlaufenden Ebene angeordnet oder geformt ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spitze oder die Scheitellinie der Nocke gegenüber der Längsrichtung der Nockenwelle abgeschrägt.
  • Ein erfindungsgemäßer druckluftbetriebener Kolbenmotor kann mit geringem Aufwand und daher schnell und preisgünstig durch Umrüstung eines herkömmlichen Verbrennungsmotors, insbesondere eines Benzin- oder Dieselmotors, hergestellt werden. Als Einlassventil kann vorteilhafterweise z. B. eine entsprechend umgebaute Druckluftpistole verwendet werden. Durch Drosselung oder Erhöhung der Druckluftzufuhr kann die Leistung bzw. Drehzahl des Motors auf einfache Weise verändert werden; vorteilhafterweise kann dem Einlassventil selbstverständlich ein Druckregler vor- oder nachgeschaltet werden.
  • Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen durckluftbetriebenen Kolbenmotors besteht darin, dass derselbe keinerlei elektrische Aggregate benötigt. Eine Batterie, ein Generator, ein Anlasser sowie eine Zündanlage (Unterbrecher, Zündspule, Zündkabel, Zündkerze usw.) sind daher zum Betrieb eines derartigen Motors verzichtbar, wodurch das Risiko beim Einsatz in Bereichen, in denen Explosions- oder Brandgefahr herrscht, vermindert werden kann. Auch in solchen Zonen, von denen elektromagnetische Störquellen ferngehalten werden sollen, z. B. im Bereich von Sende- oder Empfangsanlagen für Radiowellen, kann der Einsatz eines erfindungsgemäßen Motors sehr vorteilhaft sein, da erfindungsgemäß nicht nur eine Zündanlage, sondern auch sämtliche übrigen elektrischen Motorkomponenten, welche als elektromagnetische Störquellen wirken können, verzichtbar sind. Somit besitzt der erfindungsgemäße Motor auch erhebliche Vorteile in Bezug auf die EMV-Verträglichkeit.
  • Da der Motor in der oben genannten Weise dadurch gestartet werden kann, dass die Kurbelwelle vor Freigabe der Druckluftzufuhr in eine bestimmte Position gedreht wird, können neben Batterie und Anlasser auch alle sonstigen Komponenten zur Starthilfe, wie z. B. ein Starterseilzug, entfallen.
  • Ferner ist die Wärmeentwicklung eines derartigen Motors gering, was ebenfalls in Bezug auf Explosions- oder Brandgefahr relevant sein kann. Darüber hinaus gibt ein derartiger Motor praktisch keine schädlichen Abgase ab, was für die Einsetzbarkeit in geschlossenen Räumen von entscheidendem Vorteil sein kann. Des weiteren ist auch die Lärmentwicklung eines derartigen Motors gering, wodurch die Umweltbelastung weiter vermindert und die Einsatzmöglichkeiten wiederum erweitert sind, beispielsweise im Fall von nächtlichen Baustellen in Wohngebieten, oder z. B. bei maschineller Gartenarbeit wie etwa Rasenmähen im Bereich von Krankenhäusern oder Kurzonen.
  • Des Weiteren kann ein erfindungsgemäßer Motor in vielen Fällen ohne Druckumlaufschmierung betrieben werden, d. h. Ölpumpe, Ölfilter und Ölwechsel können in diesen Fällen entfallen, wodurch der Anfall von Altöl vermindert und somit die Umweltfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Motors nochmals erhöht wird. Die Verzichtbarkeit einer Druckumlaufschmierung kann außerdem z. B. beim Einsatz in solchen Zonen (z. B. Wasserschutzgebiete) relevant sein, in denen selbst die Kontamination mit kleinen Ölmengen, wie sie oftmals aus herkömmlichen Motoren auf Grund von Undichtigkeiten unbemerkt heraustropfen, unbedingt verhindert werden soll.
  • Da bei dem erfindungsgemäßen Motor viele der Komponenten entfallen können, welche bei einem herkömmlichen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Motor erforderlich sind, ist ein erfindungsgemäßer Motor darüber hinaus vergleichsweise unkompliziert und wartungsarm.
  • Erwähnenswert ist auch, dass ein erfindungsgemäßer druckluftbetriebener Kolbenmotor grundsätzlich vollkommen autark betrieben werden kann, denn eine Abhängigkeit von fossilem Treibstoff sowie von Elektrizität (Stromnetz, Akkumulator, Batterie) besteht prinzipbedingt nicht, und es ist prinzipiell möglich, einen erfindungsgemäßen Kolbenmotor z. B. mit einem von Hand zu betreibenden Kompressor auszustatten, um auch ein Wiederauffüllen des Druckluftspeichers bzw. des Druckluft-Vorratsbehälters völlig autark, ohne Treibstoff oder elektrische Energie, zu ermöglichen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung, in welcher jeweils schematisch zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors mit einer Nockenwelle, welche eine Nocke trägt,
  • 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors mit einer Nockenwelle, welche zwei Nocken trägt,
  • 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors mit einer Excenterwelle, welche einen Excenter trägt,
  • 4 eine andere Ausführungsform eines Excenters, welcher auf der Excenterwelle von 3 angebracht ist,
  • 5 eine in Längsrichtung der Nockenwelle gesehene Ausführungsform eines Einlassventils, welches ein von der Nockenwelle durchragtes Ventilgehäuse aufweist und komplett um die Nockenwelle schwenkbar ist,
  • 6 eine quer zur Nockenwelle gesehene Darstellung des oberen Teils des Einlassventils von 5,
  • 7 eine quer zur Nockenwelle gesehene Darstellung des oberen Teils einer gegenüber 6 modifizierten Ausführungsform eines Einlassventils, und
  • 8 eine quer zur Nockenwelle gesehene Darstellung des oberen Teils einer weiteren gegenüber 6 modifizierten Ausführungsform eines Einlassventils.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors 3A mit einer Ventilantriebswelle 12, welche eine Betätigungseinrichtung, nämlich eine Nocke N trägt und daher eine Nockenwelle 12 ist. Der Kolbenmotor 3A ist im Beispiel von 1 ein Zweitakt-Motor und weist einen Zylinder 2 mit einem Kolben K auf, welcher über eine Pleuelstange P eine Kurbelwelle 1 anzutreiben imstande ist.
  • Die Kurbelwelle 1 des Kolbenmotors 3A treibt über zwei Riemenscheiben RS und einen um dieselben umlaufenden Zahnriemen 11 die Nockenwelle 12 schlupffrei mechanisch an, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen der Kurbellwelle 1 und der Nockenwelle 12 den Wert 1:1 aufweist. Die Kurbelwelle 1 und die Nockenwelle 12 sind jeweils mittels Lagern L gelagert.
  • Der erfindungsgemäße druckluftbetriebene Kolbenmotor 3A weist ferner ein Einlassventil 7 auf, welches über eine Betätigungsstange 9 mechanisch betätigbar ist. Die Betätigungsstange 9 kann unter Belastung einer Rückstellfeder F von einer Ausgangsstellung, in welcher sich das Einlassventil 7 im geschlossenen Zustand befindet, in eine Betätigungsstellung, in welcher das Einlassventil 7 betätigt ist, d. h. sich im geöffneten Zustand befindet, gebracht werden. Die Rückstellfeder F ist nach Ende der Betätigung imstande, die Betätigungsstange 9 selbsttätig wieder zurück in die Ausgangsstellung zu versetzen. Die Betätigungsstange 9 trägt an ihrem freien Ende eine Kappe 8, welche der besseren Krafteinleitung in die Betätigungsstange 9 dient.
  • Druckluft aus einem Druckluftspeicher 10 kann über eine Druckluftleitung 15, in welcher ein Absperrventil 17 sowie das Einlassventil 7 in Serie zwischengeschaltet sind, in den Zylinder 2 einströmen, wenn sich das Absperrventil 17 und das Einlassventil 7 beide in geöffnetem Zustand befinden. Die Druckluftleitung 15 kann insbesondere als Druckluftschlauch ausgebildet sein.
  • Die Nockenwelle 12 ist mit der Nocke N starr verbunden und somit mit derselben mechanisch gekoppelt. Die Nocke N ist imstande, über die Kappe 8 und die Betätigungsstange 9 mechanisch so auf das Einlassventil 7 einzuwirken, dass dasselbe bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel φ1 jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 einmal in den betätigten, d. h. geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder 2 zum Antrieb des Kolbens K freigibt. Anschließend wird das Einlassventil 7 mittels der Rückstellfeder F bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel φ2 jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 wieder in den unbetätigten, d. h. geschlossenen Zustand versetzt, wodurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder 2 gesperrt wird.
  • Der Zylinder 2 weist ferner einen nicht dargestellten Druckluft-Auslass auf, welcher dazu dient, über das Einlassventil 7 eingeflossene Druckluft nach außen anzugeben, nachdem diese den Kolben in Bewegung gesetzt und sich dabei zumindest teilweise entspannt hat.
  • Die Kurbelwelle 1 des druckluftbetriebenen Kolbenmotors 3A ist mit einer Schwungmasse M gekoppelt, welche den Lauf des Kolbenmotors 3A zu stabilisieren imstande ist.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors 3B. Der Kolbenmotor 3B von 2 unterscheidet sich von dem Kolbenmotor 3A von 1 dadurch, dass die Rückstellfeder F sowie die Kappe 8 nicht vorhanden sind und anstelle der Nocke N eine erste Nocke 13 und eine zu dieser beabstandet und versetzt angeordnete zweite Nocke 14 auf der Nockenwelle 12 angeordnet sind, welche über einen Stellhebel S so auf die Betätigungsstange 9 mechanisch einzuwirken imstande sind, dass das Einlassventil bei Umdrehung der Nockenwelle 12 abwechselnd geöffnet und geschlossen wird. Der Stellhebel S ist im Bereich seines einen Endes über ein Gelenk G mit dem Stellhebel S verbunden. Der Stellhebel S ist im Bereich seiner Mitte mittels eines Schwenklagers SL schwenkbar gelagert.
  • Die Nockenwelle 12 ist mit einer Betätigungseinrichtung, nämlich den beiden Nocken 13, 14, starr verbunden. Die erste Nocke 13 ist imstande, auf den einen Endbereich des Stellhebels S einzuwirken, auf diese Weise über den Stellhebel S eine Druckkraft auf die Betätigungsstange 9 auszuüben und dadurch auf das Einlassventil 7 mechanisch so einzuwirken, dass dasselbe bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel φ1 jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird. Die zweite Nocke 14 ist imstande, auf den anderen Endbereich des Stellhebel einzuwirken, auf diese Weise über den Stellhebel S und das Gelenk G eine Zugkraft auf die Betätigungsstange 9 auszuüben und dadurch auf das Einlassventil 9 mechanisch so einzuwirken, dass dasselbe bei einem bestimmten zweiten Phasenwinkel φ2 jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 wieder in den geschlossenen Zustand versetzt wird.
  • Die Steuerzeiten des Einlassventils 7 hängen hierbei von der Stellung der Nocken 13, 14 auf der Nockenwelle 12 ab. Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung sind daher beide Nocken 13, 14 in solcher Weise z. B. mittels je eines Stelltriebes um die Achse der Nockenwelle 12 verschwenkbar und an der Nockenwelle 12 drehfest fixierbar, dass die Steuerzeiten des Einlassventils 7 einzeln veränderbar sind.
  • Gemäß einer modifizierten Variante (nicht gezeigt) ist die erste Nocke 13 imstande, das Einlassventil 7 im geöffneten Zustand einzurasten, und die zweite Nocke 14 imstande, das Einlassventil 7 vom geöffneten, eingerasteten Zustand zurück in den geschlossenen Zustand zu versetzen.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors 3C. Der Kolbenmotor 3C von 3 unterscheidet sich von dem Kolbenmotor 3A von 1 durch das Fehlen von Nocken sowie dadurch, dass die Nockenwelle 12 durch eine Excenterwelle 4 ersetzt ist, auf welcher ein Excenter 5 starr befestigt ist. Somit ist die Ventilantriebswelle 4 des Kolbenmotors 3C durch die Excenterwelle 4 und die Betätigungsvorrichtung 5 durch den Excenter 5 gebildet.
  • Der mit der Excenterwelle 4 mitrotierende Excenter 5 ist so geformt und angeordnet, dass er das Einlassventil 7 durch Ausübung einer Druckkraft auf die Betätigungsstange 9 und somit durch mechanische Krafteinwirkung jeweils dann in den geöffneten Zustand versetzt, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Excenterwelle 4 den ersten Phasenwinkel φ1 erreicht, und das Einlassventil danach so lange im geöffneten Zustand hält, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Excenterwelle 4 den zweiten Phasenwinkel φ2 erreicht.
  • Nachdem der Phasenwinkel der Umdrehung der Excenterwelle 4 den zweiten Phasenwinkel φ2 überschritten hat, wirkt der Excenter 5 so lange nicht mehr mechanisch auf das Einlassventil 7 ein, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle 4 erneut den ersten Phasenwinkel φ1 erreicht. Aufgrund der Rückstellkraft der Rückstellfeder F wird das Einlassventil 7 daher, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Excenterwelle 4 den zweiten Phasenwinkel φ2 überschreitet, in den geschlossenen Zustand versetzt, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Excenterwelle 4 erneut den ersten Phasenwinkel φ1 erreicht.
  • Der Excenter 5 ist im Ausführungsbeispiel von 3 ferner so geformt, dass er die Excenterwelle spiralig umläuft, so dass der erste und der zweite Phasenwinkel φ1, φ2 dadurch veränderbar sind, dass die Excenterwelle 4 in ihrer Achsenrichtung verschoben wird. Die Excenterwelle 4 ist zu diesem Zweck in ihrer Achsenrichtung verschiebbar eingerichtet, was in 3 durch Doppelpfeile symbolisiert ist. Selbstverständlich kann zur Verschiebung der Excenterwelle 4 in ihrer Längsrichtung ein Stelltrieb vorgesehen sein, was in 3 jedoch nicht dargestellt ist.
  • Gemäß einer nicht gezeigten Variante des Kolbenmotors 3C von 3 ist der Excenter so geformt, dass sich durch ein Verschieben der Excenterwelle 4 in ihrer Achsenrichtung der Abstand φ2–φ1 zwischen den beiden Phasenwinkels φ1, φ2 ändert. Zu diesem Zweck kann der Excenter eine sich in Achsenrichtung der Excenterwelle 4 entsprechend kontinuierlich ändernde Querschnittsform aufweisen.
  • 4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Excenters, welcher anstelle des Excenters 5 in dem Kolbenmotor 3C von 3 einsetzbar ist und welcher aus einem ersten und einem zweiten Excenterelement 5A, 5B besteht. Die beiden Excenterelemente sind an der Excenterwelle 4 angebracht. Die Blickrichtung von 4 verläuft parallel zur Achse der Excenterwelle 4 und ist damit um 90° gegen die Blickrichtung von 3 gedreht.
  • Die beiden Excenterelemente 5A, 5B sind unabhängig voneinander um die Achse der Excenterwelle 4 verschwenkbar, was in 4 durch Doppelpfeile symbolisiert ist, und an derselben jeweils drehfest fixierbar. Die Rotationsrichtung der Excenterwelle 4 ist in 4 mit einfachen Pfeilen gekennzeichnet.
  • Die beiden Excenterelemente 5A, 5B sind so geformt und werden an der Excenterwelle 4 angeordnet, dass
    • i) jeweils dann, wenn der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle 4 den ersten Phasenwinkel φ1 erreicht, das Einlassventil 7 durch das erste Excenterelement 5A in den geöffneten Zustand versetzt wird,
    • ii) anschließend das Einlassventil 7 jeweils für eine bestimmte erste Zeitspanne allein durch das erste Excenterelement 5A im geöffneten Zustand gehalten wird,
    • iii) anschließend das Einlassventil 7 jeweils für eine bestimmte zweite Zeitspanne durch das erste und das zweite Excenterelement 5A, 5B gemeinsam im geöffneten Zustand gehalten wird,
    • iv) und danach das Einlassventil 7 jeweils so lange allein durch das zweite Excenterelement 5B im geöffneten Zustand gehalten wird, bis der Phasenwinkel der Umdrehung der Ventilantriebswelle 4 den zweiten Phasenwinkel φ2 überschreitet.
  • Somit ermöglicht es der Excenter 5A, 5B, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel φ1, φ2 und damit die Öffnungsdauer des Einlassventils 7 zu verändern, indem nämlich die beiden Excenterelemente 5A, 5B relativ zueinander verschwenkt werden.
  • Alternativ kann in den Kolbenmotoren 3A, 3B, 3C von 1–3 jeweils anstelle des Zahnriemens eine Steuerkette oder ein Getriebe zum Antrieb der Ventilantriebswelle verwendet werden.
  • Durch Schließen des Absperrventils 17 ist sind die Kolbenmotoren 3A, 3B, 3C jederzeit abschaltbar. Gestartet werden können die Kolbenmotoren 3A, 3B, 3C wie folgt:
    • a) die Kurbelwelle 1 wird bei geschlossenem Absperrventil 17 in eine solche Stellung gedreht, in welcher sich das Einlassventil 7 im geöffneten Zustand befindet und welche vorzugsweise einem Phasenwinkel zwischen 5° und 150°, gerechnet ab dem oberen Totpunkt des Kolbens K, entspricht,
    • b) das Absperrventil 17 wird nach Ausführung des Schrittes a) geöffnet.
  • Auf diese Weise ist der Kolbenmotor 3A bzw. 3B bzw. 3C vorteilhafterweise ausschließlich durch Druckluft, welche den Zylinder 2 über das Absperrventil 17 und das Einlassventil 7 erreicht, in Gang setzbar, ohne dass es irgendwelcher Starter-Einrichtungen wie Anlasser, Starterseil usw. bedarf.
  • Vorzugsweise sind der erste und der zweite Phasenwinkel φ1, φ2 der Umdrehung der Ventilantriebswelle 4 bzw. 12 so gewählt, dass die Druckluftzufuhr für den Zylinder 2 nur dann freigegeben ist, wenn sich die Kurbelwelle 1 in einer solchen Stellung befindet, welche einem Phasenwinkelbereich 5° bis 10° nach Durchlaufen des oberen Totpunktes des Kolbens K entspricht, d. h. bevorzugt ist in diesem Phasenwinkelbereich der Umdrehung der Kurbelwelle 1 die Druckluftzufuhr für den Zylinder 2 freigegeben und ansonsten gesperrt. Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßer Motor 3A, 3B, 3C auch mit anderen Steuerzeiten betrieben werden, d. h. der Phasenwinkelbereich der Luftdruckzufuhr zu dem Zylinder 2 kann sowohl in einer Lage als auch in seiner Ausdehnung variiert werden. Hierzu kann ein (nicht gezeigter) Stelltrieb vorgesehen sein, welcher ein Verschieben des Phasenwinkelbereichs der Luftdruckzufuhr und/oder ein Verändern der breite dieses Phasenwinkelbereichs erlaubt.
  • Insbesondere können die Lage und/oder die Grenzen des genannten Phasenwinkelbereichs zunächst auf solcher Werte eingestellt werden, welche für ein Starten des Kolbenmotors 3A, 3B, 3C ausschließlich mit Druckluft in oben erläuterten Weise günstig sind, und anschließend, nachdem der Kolbenmotor 3A bzw. 3B bzw. 3C gestartet ist, auf solche Werte eingestellt werden, welche für einen Betrieb bzw. Dauerbetrieb des Kolbenmotors 3A bzw. 3B bzw. 3C günstig sind.
  • Die 5 und 6 zeigen eine Ausführungsform eines Einlassventils 7', welches anstelle des Einlassventils 7 von 1 bis 3 in der Druckluftleitung 15 von 1 zwischengeschaltet sein kann. 5 zeigt das Einlassventil 7' in Längsrichtung der Nockenwelle 12, während 6 den oberen Teil des Einlassventils 7' in einer Richtung quer zur Nockenwelle 12 zeigt, wobei die 5 und 6 zueinander nicht maßstäblich sind.
  • Das Einlassventil 7' weist ein von der Nockenwelle 12 durchragtes Ventilgehäuse auf, welches aus zwei parallel voneinander beabstandeten Längswänden 22, aus zwei ebenfalls parallel voneinander beabstandeten Querwänden 21 sowie einem Deckel 23 besteht. Die Längswände 22 und die Querwände 21 bilden zusammen die Form eines Rohres 21, 22 mit rechteckigem Querschnitt, wobei das untere Ende dieses Rohres 21, 22 durch den Deckel 23 abgeschlossen ist. Die Querwände 21 sind in 5 durchsichtig dargestellt, weshalb ihre Oberkante in 5 gestrichelt dargestellt ist. Ebenso sind in 6 die Längswände 22 durchsichtig dargestellt, weshalb ihre Oberkante in 6 gestrichelt dargestellt ist. Das Rohr 21, 22 kann aus Sicherheitsgründen auch an seinem oberen Ende abgedeckt sein.
  • Im Inneren des so gebildeten Ventilgehäuses 21, 22, 23 befindet sich ein vorzugsweise starrer Ventilkörper 41, 42, 43, welcher einen Ventilkopf 41, einen zylindrischen Ventilschaft 42 sowie einen Ventilfuß 43 aufweist, wobei der Ventilkopf 41 und der Ventilfuß 43 voneinander beabstandet und über den stangenförmigen Ventilschaft 42 starr miteinander verbunden sind. Der Ventilkopf 41 besitzt die Form einer ebenen, der Ventilfuß 43 die Form einer in Richtung des Ventischafts 42 gewölbten Kreisplatte. Der Ventilschaft 42 ist parallel zur Achsenrichtung des Rohres 21, 22, der Ventilkopf 41 und der Ventifuß 43 jeweils quer hierzu angeordnet, wobei der Ventilkopf 41 dem oberen Ende und der Ventilfuß 43 dem unteren Ende des Rohres 21, 22 zugewandt ist.
  • Zwischen dem Ventilkopf 41 und dem Ventilfuß 43 befindet sich im Inneren des Rohres 21, 22 ferner ein quaderförmiger Ventilblock 51, welcher sowohl von dem Ventilkopf 41 als auch von dem Ventilfuß 43 beabstandet ist und eine zentrale Bohrung aufweist, welche in Achsenrichtung des Rohres 21, 22 verläuft und durch welche eine hohlzylindrische Lagerbuchse 52 geführt ist. Die Lagerbuchse 52 weist einen zentralen zylindrischen hohlen Innenraum auf, dessen Achse mit derjenigen des Rohres 21, 22 zusammenfällt, und ist starr mit dem Ventilblock 51 verbunden. Der Ventilschaft 42 durchragt den zentralen zylindrischen hohlen Innenraum der Lagerbuchse 52. Der Innendurchmesser dieses hohlen Innenraums ist im Wesentlichen identisch mit Außendurchmesser des Ventischafts 42, wobei der letztere gleitbar in der Lagebuchse 52 aufgenommen ist, so dass die Lagerbuchse 52 imstande ist, eine Bewegung des Ventilkörpers 41, 42, 43 in Längsrichtung des Rohres 21, 22 spielfrei zu führen.
  • Zwischen dem Ventilblock 51 und dem Ventilfuß 43 befindet sich im Inneren des Rohres 21, 22 ferner ein Dichtungsblock 53, welcher von dem Ventilblock 51 beabstandet ist, so dass sich zwischen dem Ventilblock 51 und dem Dichtungsblock 53 ein erster Zwischenraum befindet, welcher im Folgenden als Auslasskammer 34 bezeichnet wird. Ein Auslassstutzen 35, welcher der Auslasskammer 34 entspringt und seitlich durch eine der Längswände 22 hindurch aus dem Ventil 7' herausführt, ermöglicht die Abfuhr von Druckluft aus der Auslasskammer 34.
  • Der Dichtungsblock 53 ist ferner auch von dem Deckel 23 beabstandet, so dass sich zwischen dem Dichtungsblock 53 und dem Deckel 23 ein zweiter Zwischenraum befindet, welcher im Folgenden als Einlasskammer 32 bezeichnet wird.
  • Ein Einlassstutzen 31, welcher in Längsrichtung des Rohres 21, 22 zentral durch den Deckel 23 verläuft und in die Einlasskammer 32 mündet, ermöglicht die Zufuhr von Druckluft in die Einlasskammer 32. Der Dichtungsblock 53 besitzt eine zentrale Durchgangsbohrung 33, deren Durchmesser größer ist als derjenige des Ventilschafts 42, jedoch kleiner als derjenige des Ventilfußes 43.
  • Der Ventilschaft 42 durchragt die Auslasskammer 34 sowie die Durchgangsbohrung 33. Der Ventilfuß 43 befindet sich im Inneren der Einlasskammer 32.
  • An den Ventilblock 51 schließt sich in Richtung nach oben eine Führungshülse 54 an, welche einen zylindrischen Hohlraum H umschließt, dessen Achse ebenfalls in Längsrichtung des Rohres 21, 22 verläuft. Der Hohlraum H befindet sich unterhalb des Ventilkopfes 41 und ist seitlich durch die Innenwandung der Führungshülse 54, nach oben durch den Ventilkopf 41 und nach unten durch eine Bodenfläche begrenzt, wobei der Ventilschaft 42 durch den Hohlraum H hindurch verläuft,
  • Die Führungshülse 54 ist imstande, den Ventilkopf 41 gleitbar aufzunehmen und bei seiner Aufwärts- und Abwartsbewegung zu führen. Zwischen dem Ventilblock 51 und dem Ventilkopf 41 ist eine vorgespannte, als Spiralfeder ausgebildete Rückstellfeder F' angeordnet, welche sich somit ebenfalls in dem Hohlraum H im Inneren der Führungs 54 befindet und mittels ihrer Rückstellkraft imstande ist, den Ventilkörper 41, 42, 43 so weit nach oben zu bewegen, bis der Ventilfuß 43 am Dichtungsblock 53 anschlägt.
  • Die Abmessungen des Ventilschafts 42, des Ventilfußes 43, des Ventilblocks 51, der Lagerbuchse 52, der Auslasskammer 34, des Dichtungsblocks 53 und der Einlasskammer 32 sind in Längsrichtung des Rohres 21, 22 jeweils so gewählt, dass der Ventilkörper 41, 42, 43 im Inneren des Rohres 21, 22 in dessen Längsrichtung um eine bestimmte Strecke hin und her bewegbar, d. h. aufwärts in Richtung des oberen Endes des Rohres 21, 22 und abwärts in Richtung des Deckels 23 bewegbar ist, wobei der Spielraum der Aufwärtsbewegung dadurch begrenzt ist, dass der Dichtungsblock 53 als Anschlag für die Aufwärtsbewegung des Ventilfußes 43 fungiert.
  • Der Dichtungsblock 53, der Ventilblock 51, die Lagerbuchse 52 sowie die Führungshülse 54 sind in 5 bzw. 6. im Querschnitt dargestellt.
  • Der Dichtungsblock 53 besteht vorzugsweise aus Gummi, insbesondere aus einem speziellen Dichtungsgummi, und ist im Wesentlichen quaderförmig, wobei seine Unterseite jedoch so nach innen gewölbt ist, dass sich die obere Außenfläche des Ventilfußes 43 an die Unterseite des Dichtungsblocks 53 anzuschmiegen imstande ist, und wobei die Rückstellkraft der Rückstellfeder F' ausreicht, um den Ventilfuß 43 so stark an den Dichtungsblock 53 anzudrücken, dass die Durchgangsbohrung 33 gegen die Einlasskammer 32 luftdicht abgedichtet ist, was bedeutet, dass sich das Ventil 7' in geschlossenem Zustand befindet.
  • Wird jedoch der Ventilkörper 41, 42, 43 entgegen der Rückstellkraft der Rückstellfeder F' nach unten bewegt, so beabstandet sich der Ventilfuß 43 vom Dichtungsblock 53, so dass die Einlasskammer 32 über die Durchgangsbohrung 33 mit der Auslasskammer 34 kommuniziert, was bedeutet, dass sich das Ventil 7' im geöffneten Zustand befindet, welcher im Folgenden als betätigter Zustand bezeichnet wird. Selbstverständlich sind auch solche Ausführungsformen möglich, in welchen das Ventil im betätigten Zustand geschlossen und im unbetätigten Zustand geöffnet ist.
  • Auf der Nockenwelle 12 ist ein Reiter R starr angeordnet, welcher die Nockenwelle 12 ringartig umgreift und auf welchem eine Nocke N' starr angeordnet ist, welche bei jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 mechanisch so auf den Ventilkopf 41 einwirkt, dass dieser und damit der Ventilköper 41, 42, 43 vorübergehend unter Belastung der Rückstellfeder F' abwärts in Richtung des Deckels 23 verschoben wird. Hierdurch wird das Einlassventil 7' vorübergehend geöffnet. Anschließend wird das Einlassventil 7' durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder F' wieder geschlossen.
  • Das System Einlasskammer 32, Durchgangsbohrung 33 und Auslasskammer 34 weist, abgesehen vom Einlassstutzen 31 und vom Auslassstutzen 35, keine Öffnungen auf, sondern ist abgesehen von diesen beiden Stutzen luftdicht.
  • Das Einlassventil 7' der 5 und 6 kann in dem druckluftbetriebenen Kolbenmotor von 1 anstelle des dortigen Einlassventils 7 eingesetzt werden, wobei der Einlaßstutzen 31 vorzugsweise dem Absperrventil 17 strömungstechnisch zugewandt ist, so dass Druckluft aus dem Druckluftspeicher 10 (1) über das Absperrventil und das Einlassventil 7' in den Zylinder 2 einströmen kann, sofern das Absperrventil 17 und das Einlassventil 7' geöffnet sind, wobei die Druckluft über den Einlassstutzen 31 in das Einlassventil 7' einströmt und, nachdem sie nacheinander die Einlasskammer 32, die Durchgangsbohrung 33 und die Auslasskammer 34 passiert hat, über den Auslassstutzen 35 aus dem Einlassventil 7' wieder ausströmt und von dort in den Zylinder 2 (1) gelangt. Das Einströmen der Druckluft durch den Einlassstutzen 31 ist in 5 durch einen aufwärts weisenden Pfeil, ihr Ausströmen durch den Auslassstutzen 35 durch einen nach rechts weisenden Pfeil angedeutet.
  • Die Nockenwelle 12 durchragt den oberen Teil des Ventilgehäuses 21, 22, 23 parallel zu den Längswänden 22 und senkrecht zu den Querwänden 21. Die Querwände 21 weisen zu diesem Zweck je eine Wellenbohrung auf, durch welche die Nockenwelle 12 durchgeführt ist, wobei die Außenfläche der Nockenwelle 12 auf den Innenflächen der Wellenbohrungen spielfrei zu gleiten imstande ist. Daher bildet jede der Wellenbohrungen zusammen mit der Nockenwelle 12 ein von dem Ventilgehäuse 21, 22, 23 getragenes Drehlager D, welches eine Rotation der Nockenwelle 12 gegenüber dem Ventilgehäuse 21, 22, 23 und damit auch gegenüber dem Ventil 7' erlaubt, vorteilhafterweise aber auch ebenso umgekehrt ein Schwenken des kompletten Einlassventils 7' mitsamt dem Ventilkörper 41, 42, 43 gegenüber der Nockenwelle 12 in oder entgegen deren Umdrehungsrichtung erlaubt. Diese Möglichkeit ist in 5 durch zwei aufwärts gekrümmte Pfeile angedeutet.
  • Auf die letztere Weise, d. h. durch Schwenken des kompletten Einlassventils 7' gegenüber der Nockenwelle 12, sind somit der erste Phasenwinkel φ1, bei welchem das Einlassventil 7' öffnet, und der zweite Phasenwinkel φ2, bei welchem das Einlassventil 7' schließt, beide gemeinsam veränderbar. Dies ermöglicht mit geringem Aufwand und schnell eine optimale Anpassung der Steuerzeiten des Einlassventils an die jeweiligen Betriebs- und Belastungszustände des erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors. Die beiden Drehlager D dienen bei Schwenkung des Ventilgehäuses 21, 22, 23 und damit des ganzen Einlassventils 7' zur stabilen, spielfreien Rundführung der Schwenkbewegung.
  • Selbstverständlich können die Drehlager D, anstatt als Gleitlager ausgebildet zu sein, als Kugellager oder Rollenlager ausgebildet sein. Das Ventilgehäuse 21, 22, 23 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mindestens teilweise mit Öl gefüllt, beispielsweise zu einem Drittel seines Volumens.
  • Das Einlassventil 7' kann in der durch entsprechende Schwenkung desselben gewählten Richtung arretierbar sein, so dass der erste und der zweite Phasenwinkel φ1, φ2, welche sich auf diese Weise einstellen, gegen unbeabsichtigte erneute Verstellung fixiert werden können. Die Arretierung kann mittels eines eigenen Arretiermechanismus oder z. B. durch den Stelltrieb erfolgen.
  • Die hier zur besseren Verständlichkeit angegebenen Richtungen ”oben”, ”unten”, ”aufwärts” und ”abwärts” beziehen sich selbstverständlich nur auf die vorliegende Orientierung der 5 und 6 und bedeuten selbstverständlich keine Vorgabe oder Einschränkung für die tatsächliche Einbaulage des Einlassventils 7' in einen erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotor.
  • Demgegenüber werden im Folgenden unter Bezug auf 7 und 8 solche Ausführungsformen eines Einlassventils 7', 7''' für einen erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotors erläutert, bei welchen eine tatsächliche Vorzugsrichtung der Einbaulage besteht. Die Einlassventile 7'', 7''' von 7 und 8 sind nämlich bevorzugt in einer solchen Lage zu betreiben, in welcher die Nocke N' oberhalb des Ventilkopfes 41 angeordnet ist. Die unter Bezug auf die 7 und 8 angegebenen Richtungen ”oben”, ”unten”, ”aufwärts” und ”abwärts” beziehen sich daher nicht nur auf die vorliegende Orientierung der 7 und 8, sondern zugleich auf die bevorzugte tatsächliche Einbaulage der in diesen Figuren gezeigten Einlassventile 7'', 7''' in einem erfindungsgemäßen druckluftbetriebenen Kolbenmotor.
  • Die 7 und 8 zeigen jeweils den Oberteil eines Einlassventils 7'' und 7'''. Die Einlassventile 7'' und 7''' können jeweils anstelle des Einlassventils 7 von 1 bis 3 in der Druckluftleitung 15 von 1 zwischengeschaltet sein.
  • Der im Inneren des Ventilgehäuses 21, 22, 23 oberhalb des Ventilkopfes 41 befindliche Raum wird im Folgenden als Wannenraum W bezeichnet, da dieser in den Ausführungsformen von 7 und 8 nach Art einer Wanne zumindest seitlich und unten geschlossen ist. Dies ist bei der Ausführungsform von 5 und 6 nicht zwingend erforderlich, weshalb oben unter Bezug auf die 5 und 6 der Ausdruck ”Wannenraum” nicht verwendet wurde. Der Unterteil der Einlassventile 7'', 7''' ist in den 7 und 8 nicht gezeigt, ist jedoch bevorzugt jeweils mit dem Unterteil des Einlassventils 7' von 5 identisch.
  • Die Querwände 21 und die Längswände 22 des Ventilgehäuses 21, 22, 23 bilden zugleich die Seitenwandungen des Wannenraumes W. Der Wannenraum W kann oben durch eine obere Abdeckung begrenzt sein.
  • Die der Nocke N' zugewandte und vom Ventilschaft 42 abgewandte Oberseite des Ventikopfes 41 bildet einen Teil des Bodens des Wannenraumes W (7). Die Nocke N' ist im Wannenraum W angeordnet oder taucht in denselben zumindest während der Betätigung des Einlassventils 7'' durch die Nocke N' ein, wobei die Nocke N' bei jeder Umdrehung der Nockenwelle 12 vorübergehend eine den Ventilkörper 41, 42, 43 nach unten in Richtung des Ventilfußes 43 auslenkende Druckkraft auf die Oberseite des Ventilkopfes 41 ausübt und dadurch das Einlassventil 7'' unter Belastung der Rückstellfeder F' und unter Verkleinerung des Hohlraumes H betätigt. D. h., die Nocke N' drückt den Ventilkopf 41 einmal pro Umdrehung der Nockenwelle 12 nach unten in Richtung des Hohlraumes H, wodurch jeweils vorübergehend der Wannenraum W vergrößert, der Hohlraum H verkleinert und das Einlassventil 7'' geöffnet wird.
  • Das Einlassventil 7'' von 7 unterscheidet sich von dem Einlassventil 7' von 6 ferner dadurch, dass das Einlassventil 7'' zwei Kanäle K1, K2 aufweist, welche den oberhalb des Ventilkopfes 41 befindlichen Wannenraum W mit dem unterhalb des Ventilkopfes 41 befindlichen Hohlraum H verbinden, wobei sich erfindungsgemäß im Bodenbereich des Wannenraumes W eine Ölschicht 61 befindet, welche zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen der Nocke N' und der Oberseite des Ventilkopfes 41 bedeckt. Beide Kanäle K1, K2 münden mit ihrem oberen Ende in die Ölschicht 61 und mit ihrem unteren Ende in den Hohlraum H ein, so dass Öl aus der Ölschicht 61 durch die Kanäle K1, K2 in den Hohlraum H gelangen kann und dort einen Ölsee 62 bildet. Die Kanäle K1, K2 bilden die einzige Verbindung des Hohlraumes H nach außerhalb desselben.
  • Die Ölschicht 61 verringert die Reibung der Nocke N' bei deren Gleitbewegeung über die Oberseite des Ventilkopfes 41 und schmiert zugleich auch die Gleitbewegung des Ventilkopfes 41 in der Führungshülse 54, wobei die Ölschicht 61 außerdem auch der Ventilkopf 41 seitlich gegen die Innenwand der Führungshülse 54 abdichtet.
  • Der Ölsee 62 schmiert die Gleitbewegung des Ventilschafts 42 gegenüber der Lagerbuchse 52, dichtet zugleich den Ventilschaft 42 seitlich gegen die Innenwandung der Lagerbuchse 52 ab und dämpft ferner Eigenschwingungen der Rückstellfeder F'.
  • Bei jeder Abwärtsbewegung des Ventilkopfes 41 entsteht im Hohlraum H ein Überdruck, welcher Öl aus dem Ölsee 62 durch die Kanäle K1, K2 nach oben in die Ölschicht 61 drückt. Umgekehrt entsteht bei jeder Aufwärtsbewegung des Ventilkopfes 41 im Hohlraum H ein Unterdruck, welcher Öl aus der Ölschicht 61 durch die Kanäle K1, K2 nach unten in den Ölsee 62 befördert. Auf diese Weise befindet sich das Ol der Ölschicht 61 und des Ölsees 62 vorteilhafterweise ständig im gegenseitigen Austausch und in einer Umwälzbewegung, was sich auf die Schmiereigenschaften und die Verteilung des Öls sehr positiv auswirkt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Einmündungen der Kanäle K1, K2 in den Hohlraum H in unterschiedlicher Höhe über der Bodenfläche B des Hohlraumes H, wobei der Kanal K2, dessen untere Einmündung sich in einer geringeren Höhe über der Bodenfläche B befindet als die untere Einmündung des Kanals K1, und wobei der Kanal K2 einen größeren Durchmesser aufweist als der Kanal K1.
  • Die Höhe des Spiegels des Ölsees 62 über dem Boden B des Hohlraumes H hängt im Ruhezustand von der Höhe der unteren Einmündung des Kanals K1 über dem Boden B des Hohlraumes H ab, da im Hohlraum H befindliche Luft durch den Kanal K1 entweichen kann und somit Öl durch den Kanal K2 in den Ölsee nachfließen kann, solange der Ölsee-Spiegel die untere Einmündung des Kanals K1 nicht erreicht hat. Der Kanal K1 dient hierbei also als Entlüftung des Hohlraumes H.
  • Die Höhe der unter dem Ventilkopf 41 im Hohlraum H verbleibenden Luftblase hängt daher ebenfalls von der Höhe der unteren Einmündung des Kanals K1 über dem Boden B des Hohlraumes H ab. Diese Höhe ist vorzugsweise so gewählt, das der Ölsee-Spiegel im Ruhezustsand tiefer liegt als die Unterseite des Ventilkopfes 41 bei betätigtem Ventil 7''.
  • Der in 8 gezeigte Oberteil eines Einlassventils 7''' unterscheidet sich von den Oberteil des Einlassventils 7'' von 7 dadurch, dass die Nocke N' durch eine Nocke N''' ersetzt ist.
  • Gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkopf 41 rotationssymmetrisch bezüglich der Achse A des Ventilschafts 42 geformt und um diese Achse A rotierbar gelagert, dies beiden Merkmale sind für die Funktion der unter Bezug auf 5 bis 7 erläuterten Ausführungsformen der Erfindung grundsätzlich verzichtbar und wurden daher oben nicht erwähnt.
  • Die Nockenwelle 12 verläuft im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Ventilkopfes 41 bzw. senkrecht zur Achse A des Ventilschafts 42. Die Nocke N''' ist mittig zur Achse A des Ventilschafts 42 angeordnet, wobei der mit der Oberseite des Ventilkopfes 41 in mechanischen Kontakt tretende Bereich der Nocke N''' asymmetrisch zu einer senkrecht zur Nockenwelle 12 und durch die Achse A des Ventilschafts 42 verlaufenden Ebene geformt ist: die Nocke N''' weist nämlich an ihrer Spitze eine Scheitellinie SCH auf, welche schräg oder schief zur Achse der Nockenwelle 12 verläuft, d. h. die Nocke N''' ist bei betätigtem Einlassventil 7''' gegenüber der Oberseite des Ventilkopfes 41 abgeschrägt. Auf diese Weise ist das Zentrum der Krafteinwirkung der Nocke N''' auf die Oberseite des Ventilkopfes 41 in axialer Richtung der Nockenwelle 12 vom Mittelpunkt der Oberseite des Ventilkopfes 41 beabstandet, so dass die Nocke N''' während jeder Betätigung des Einlassventils 7''' ein reibungsbedingtes Drehmoment auf den Ventilkopf 41 ausübt, welches den Ventilkopf 41 und damit den ganzen Ventilkörper 41, 42, 43 um einen bestimmten Winkel um die Achse A des Ventilschafts 42 dreht. Dieser bestimmte Winkel ist durch den Grad der Abschrägung vorgebbar.
  • Auf diese Weise wird eine Rotation des Ventilkörpers 41, 42, 43 um die Achse A erreicht, welche im Vergleich zur Rotationsgeschwindigkeit der Nockenwelle 12 langsam erfolgt. Hierdurch werden vorteilhafterweise eine gleichmäßige Beanspruchung und Abnutzung der Oberseite und der Seitenflächen sowohl des Ventilkopfes 41 und der Oberseite des Ventilfußes 43 sowie der Seitenflächen des Ventilschafts 42 erreicht; entsprechendes gilt auch für die Innenwandungen von Lagerbuchse 52 und Führungshülse 54. Der Sitz des Ventilkörpers 41, 42, 43 schleift sich somit im Betrieb des druckluftbetriebenen Kolbenmotors permanent selbst ein. Die Folge davon ist eine stark erhöhte Lebensdauer des Einlassventils 7'''.
  • Die Erfindung ist insbesondere gewerblich anwendbar z. B. zur Herstellung und zum Betrieb von Sondergeräten, Sondermaschinen und Sonderfahrzeugen, welche in Bereichen eingesetzt werden sollen, die gegen bestimmte, insbesondere umweltschädliche Immissionen sensibel sind, z. B. gegen die Immission von Lärm, Funkstörungen, Hitze, giftigen Abgasen oder Öl. Ferner ist die Erfindung auch überall dort gewerblich anwendbar, wo Kolbenmotoren vollständig autark und somit unabhängig von fossilem Treibstoff und elektrischer Energie einsetzt werden sollen.
    • 1
    Kurbelwelle
    2
    Zylinder
    3A, 3B, 3C
    druckluftbetriebene Kolbenmotoren
    4
    Excenterwelle
    5
    Excenter
    5A, 5B
    erstes, zweites Excenterelement
    6
    Wirkungsbereich
    7, 7', 7''
    Einlassventile
    8
    Kappe auf 7
    9
    Betätigungsstange
    10
    Druckluftspeicher
    11
    Zahnriemen
    12
    Nockenwelle
    13, 14
    erste, zweite Nocke
    15
    Druckluftschlauch
    16
    Excenterscheibe
    17
    Absperrventil
    21
    Querwand
    22
    Längswand
    23
    Deckel
    31
    Einlaßstutzen
    32
    Einlaßkammer
    33
    Durchgangsbohrung
    34
    Auslaßkammer
    35
    Auslaßstutzen
    41
    Ventilkopf
    42
    Ventilschaft
    43
    Ventilfuß
    51
    Ventilblock
    52
    Lagerbuchse
    53
    Dichtungsblock
    54
    Führungshülse
    61
    Ölschicht in W
    62
    Ölsee in H
    A
    Achse von 42
    B
    Bodenfläche von H
    D
    Drehlager
    F, F'
    Rückstellfedern
    G
    Gelenk
    H
    Hohlraum
    K
    Kolben
    K1, K2
    Kanäle
    L
    Lager
    M
    Schwungmasse
    N, N', N'''
    Nocken
    P
    Pleuelstange
    R
    Reiter
    RS
    Riemenscheiben
    S
    Stellhebel
    SCH
    Scheitellinie von N''
    SL
    Schwenklager
    W
    Wannenraum

Claims (23)

  1. Duckluftbetriebener Kolbenmotor (3A, 3B, 3C), mit mindestens einem Zylinder (2), welcher einen Kolben (K) enthält, und mit mindestens einem mechanisch betätigbaren Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') und einem Druckluft-Auslass, wobei das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') ein solches Ventil ist, welches einen Ventilkörper (41, 42, 43) mit einem Ventilkopf (41), einen von diesem abstehenden Ventilschaft (42) und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf (41) beabstandeten Ventilfuß (43) aufweist, und a) der Kolben (K) eine Ventilantriebswelle (12), nämlich eine Nockenwelle (12), mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung (N', N'''), nämlich einer Nocke (N', N'''), mechanisch gekoppelt ist, b) die Nocke (N', N''') oberhalb des Ventilkopfes (41) an der Nockenwelle (12) angeordnet ist und mit dieser mitrotiert, c) der Ventilschaft (42) unterhalb des Ventilkopfes (41) und der Ventilfuß (43) unterhalb des Ventilschafts (42) angeordnet ist, d) der Ventilkopf (41) in einer Führungshülse (54) gleitbar aufgenommen ist, e) der Ventilschaft (42) in einer Lagerbuchse (52) gleitbar aufgenommen ist, f) sich unterhalb des Ventilkopfes (41) ein Hohlraum (H) befindet, durch welchen der Ventilschaft (42) verläuft und welcher seitlich durch die Innenwandung der Führungshülse (54), nach oben durch den Ventilkopf (41) und nach unten durch eine Bodenfläche (B) begrenzt ist, g) das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') dadurch betätigbar ist, dass die Nocke (N', N''') auf den Ventilkopf (41) eine Druckkraft ausübt, welche den Ventilkörper in eine von der Nocke (N', N''') abgewandten Richtung unter Verkleinerung des Hohlraumes (H) aus einer Ruhestellung auslenkt, und h) die Nocke (N', N''') imstande ist, das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') mechanisch so zu betätigen, dass dasselbe – bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel (φ1) jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle (12) einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder (2) zum Antrieb des Kolbens (K) freigibt, und – anschließend bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel (φ2) jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle (12) in den geschlossenen Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder (2) sperrt, i) sich oberhalb des Ventilkopfes (41) ein zumindest seitlich und unten geschlossener Wannenraum (W) befindet, in welchem die Nocke (N', N''') angeordnet ist oder in welchen die Nocke (N', N''') zumindest während der Betätigung des Einlassventils (7, 7', 7'', 7''') durch die Nocke (N', N''') eintaucht, wobei der Boden des Wannenraumes (W) zumindest teilweise durch den Ventilkopf (41) gebildet ist, j) sich im Bodenbereich des Wannenraumes (W) eine Schicht (61) von flüssigem Schmiermittel befindet, welche zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen Nocke (N', N''') und Ventilkopf (41) bedeckt, und k) wenigstens ein Kanal (K1, K2) mit seinem oberen Ende in die Schicht (61) und mit seinem unteren Ende in den Hohlraum (H) einmündet, so dass Schmiermittel aus der Schicht (61) durch den Kanal (K1, K2) in den Hohlraum (H) gelangen kann, l) und das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') einen Rückstellmechanismus (F') zum Versetzen des Ventilkörpers (41, 42, 43) in die Ruhestellung aufweist.
  2. Ventil (7, 7', 7'', 7''') welches einen Ventilkörper (41, 42, 43) mit einem Ventilkopf (41), einen von diesem abstehenden Ventilschaft (42) und einen daran angeordneten, vom Ventilkopf (41) beabstandeten Ventilfuß (43) aufweist, wobei a) der Ventilschaft (42) unterhalb des Ventilkopfes (41) und der Ventilfuß (43) unterhalb des Ventilschafts (42) angeordnet ist, b) der Ventilkopf (41) in einer Führungshülse (54) gleitbar aufgenommen ist, c) der Ventilschaft (42) in einer Lagerbuchse (52) gleitbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) sich unterhalb des Ventilkopfes (41) ein Hohlraum (H) befindet, durch welchen der Ventilschaft (42) verläuft und welcher seitlich durch die Innenwandung der Führungshülse (54), nach oben durch den Ventilkopf (41) und nach unten durch eine Bodenfläche (B) begrenzt ist, e) das Ventil (7, 7', 7'', 7''')) dadurch betätigbar ist, dass eine auf einer Nockenwelle (12) angeordnete und mit dieser mitrotierende, oberhalb des Ventilkopfes (41) angeordnete Nocke (N, N', N''', 13) auf den Ventilkopf (41) eine Druckkraft ausübt, welche den Ventilkörper (41, 42, 43) in eine von der Nocke (N, N', N''', 13) abgewandten Richtung unter Verkleinerung des Hohlraumes (H) aus einer Ruhestellung auslenkt, f) sich oberhalb des Ventilkopfes (41) ein zumindest seitlich und unten geschlossener Wannenraum (W) befindet, in welchem die Nocke (N, N', N''', 13) angeordnet ist oder in welchen die Nocke (N, N', N''', 13) zumindest während der Betätigung des Ventils (7, 7', 7'', 7''') durch die Nocke (N, N', N''', 13) eintaucht, wobei der Boden des Wannenraumes (W) zumindest teilweise durch den Ventilkopf (41) gebildet ist, g) sich im Bodenbereich des Wannenraumes (W) eine Schicht (61) von flüssigem Schmiermittel befindet, welche zumindest den Bereich des mechanischen Kontakts zwischen Nocke (N, N', N''', 13) und Ventilkopf (41) bedeckt, und h) wenigstens ein Kanal (K1, K2) mit seinem oberen Ende in die Schicht (61) und mit seinem unteren Ende in den Hohlraum (H) einmündet, so dass Schmiermittel aus der Schicht (61) durch den Kanal (K1, K2) in den Hohlraum (H) gelangen kann, i) und das Ventil (7, 7', 7'', 7''') einen Rückstellmechanismus (F') zum Versetzen des Ventilkörpers (41, 42, 43) in die Ruhestellung aufweist.
  3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ventilkopf (41) rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des Ventilschafts (42) geformt und um diese Achse rotierbar gelagert ist, und – das Zentrum oder der Schwerpunkt der Krafteinwirkung der Nocke (N, N', N''', 13) auf den Ventilkopf (41) in axialer Richtung der Nockenwelle (12) von dieser Achse beabstandet ist, so dass die Nocke (N, N', N''', 13) während jeder Betätigung des Ventils (7'', 7''') ein reibungsbedingtes Drehmoment auf den Ventilkopf (41) ausübt, welches den Ventilkopf (41) um die Achse des Ventilschafts (42) um einen bestimmten Winkel dreht.
  4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocke (N''') mittig zur Achse (A) des Ventilschafts (42) angeordnet und der mit dem Ventilkopf (41) in mechanischen Kontakt tretende Bereich der Nocke (N''') asymmetrisch zu einer senkrecht zur Nockenwelle (12) und durch die Achse (A) des Ventilschafts (42) verlaufenden Ebene angeordnet oder geformt ist.
  5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze oder Scheitellinie (SCH) der Nocke (N''') gegenüber der Längsrichtung der Nockenwelle (12) abgeschrägt ist.
  6. Ventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als mechanisch betätigbares Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') eines druckluftbetriebenen Kolbenmotors (3A, 3B, 3C) zu fungieren imstande ist, welcher einen Druckluft-Auslass sowie mindestens einen Zylinder (2) aufweist, welcher einen Kolben (K) enthält, wobei – der Kolben (K) eine Ventilantriebswelle (4, 12) mechanisch antreibt, welche mit einer Betätigungseinrichtung (5, 5A, 5B, 13, 14, N, N', N''') mechanisch gekoppelt ist, und – das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') durch die Betätigungseinrichtung (5, 5A, 5B, 13, 14, N, N', N''') mechanisch so betätigbar ist, dass dasselbe – bei einem bestimmten ersten Phasenwinkel (φ1) jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle (4, 12) einmal in den geöffneten Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder (2) zum Antrieb des Kolbens (K) freigibt, und – anschließend bei einem zweiten bestimmten Phasenwinkel (φ2) jeder Umdrehung der Ventilantriebswelle (4, 12) in den geschlossenen Zustand versetzt wird und dadurch die Druckluftzufuhr für den Zylinder (2) sperrt.
  7. Ventil nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der druckluftbetriebene Kolbenmotor ein Zweitaktmotor mit einer Kurbelwelle (1) ist, welche – entweder unmittelbar durch die Ventilantriebswelle (4, 12) gebildet und somit mit dieser identisch ist – oder die Ventilantriebswelle (4, 12) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 anzutreiben imstande ist,
  8. Ventil nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der druckluftbetriebene Kolbenmotor ein Viertaktmotor mit einer Kurbelwelle (1) ist, welche die Ventilantriebswelle (4, 12) mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 anzutreiben imstande ist.
  9. Ventil nach einem der Ansprüche 1, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe um die Ventilantriebswelle (4, 12) in oder entgegen deren Umdrehungsrichtung schwenkbar ist und auf diese Weise der erste und der zweite Phasenwinkel (φ1, φ2) gemeinsam veränderbar sind.
  10. Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe mindestens ein Drehlager (D) aufweist, in welchem das Einlassventil (7, 7', 7'', 7''') gegenüber der Ventilantriebswelle (12) in und entgegen deren Umdrehungsrichtung schwenkbar gelagert ist und welches bei Schwenkung des Einlassventils (7, 7', 7'', 7''') um die Ventilantriebswelle (4, 12) zur Rundführung der Schwenkbewegung dient.
  11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dasselbe ein Ventilgehäuse (21, 22, 23) oder Rahmengestell aufweist, welches von der Ventilantriebswelle (12) durchragt wird und welches das oder die Drehlager (D) aufnimmt oder trägt.
  12. Ventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe oder das Ventilgehäuse (21, 22, 23) in einer oder einer Mehrzahl oder einer Vielzahl von Schwenkstellungen bzw. Richtungen arretierbar ist.
  13. Ventil einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe zur gemeinsamen Verstellung des ersten und des zweiten Phasenwinkels (φ1, φ2) über einen Stelltrieb gegenüber der Ventilantriebswelle (4, 12) in oder entgegen der Umdrehungsrichtung derselben verstellbar ist.
  14. Ventil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe imstande ist, sich mittels Federkraft selbsttätig in den geschlossenen oder in den geöffneten Zustand zu versetzen.
  15. Ventil nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe durch eine solche Betätigungseinrichtung (13, 14, N, N', N''') mechanisch betätigbar ist, welche mindestens eine an der Ventilantriebswelle (12) angeordnete Nocke (13, 14, N, N', N''') umfasst, so dass die Ventilantriebswelle (12) eine Nockenwelle ist.
  16. Ventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe durch eine solche Betätigungseinrichtung (13, 14) mechanisch betätigbar ist, welche ein erstes und ein zweites Betätigungselement (13, 14), insbesondere zwei Nocken (13, 14), umfaßt, wobei das Einlassventil (7) jeweils mittels des ersten Betätigungselements (13) in den geöffneten und danach jeweils mittels des zweiten Betätigungselements (14) wieder in den geschlossenen Zustand versetzbar ist.
  17. Ventil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe durch eine solche Betätigungseinrichtung (13, 14) mechanisch betätigbar ist, welche ein erstes und ein zweites Betätigungselement (13, 14), insbesondere zwei Nocken (13, 14), umfaßt, wobei wenigstens eines der Betätigungselemente (13, 14) gegenüber dem anderen Betätigungselement (13, 14) um die Achse der Ventilantriebswelle (12) verschwenkbar und an der Ventilantriebswelle (12) drehfest fixierbar ist, so dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Phasenwinkel (φ1, φ2) und damit die Öffnungsdauer des Einlassventils (7) veränderbar ist.
  18. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkopf (41), der Ventilschaft (42) und der Ventilfuß (43) starr miteinander verbunden sind und gemeinsam einen starren Ventilkörper (41, 42, 43) bilden.
  19. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (21, 22, 23) zwei voneinander beabstandete Querwände (21) und zwei voneinander beabstandete Längswände (22) aufweist, welche zugleich die Seitenwandung (21, 22) des Wannenraumes (W) bilden.
  20. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wannenraum (W) oben durch eine obere Abdeckung begrenzt ist.
  21. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kanäle (K1, K2) jeweils mit ihrem oberen Ende in die Schicht (61) und jeweils mit ihrem unteren Ende in den Hohlraum (H) einmünden, wobei sich die Einmündungen der Kanäle (K1, K2) in den Hohlraum (H) in unterschiedlicher Höhe über der Bodenfläche (B) des Hohlraumes (H) befinden.
  22. Ventil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige der Kanäle (K2), dessen Einmündung in den Hohlraum (H) sich in der geringsten Höhe über der Bodenfläche (B) des Hohlraumes (H) befindet, den größten Durchmesser aller Kanäle (K1, K2) aufweist.
  23. Ventil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass Schmiermittel durch die Bewegung des Ventilkopfes (41) aus der Schicht (61) durch den Kanal (K1, K2) in den Hohlraum (H) gelangen kann und umgekehrt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009000107A1 (fr) * 2007-06-26 2008-12-31 Yu-Hun Nien Machine génératrice d'énergie
CN103498703A (zh) * 2013-10-23 2014-01-08 肖波 高压进气等温膨胀的气动发动机
CN111691925B (zh) * 2020-06-24 2021-11-09 张谭伟 一种空气发动机

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE235626C (de) *
DE2355794A1 (de) * 1973-11-08 1975-05-15 Sen Richard Kuechen Nocken- und stoesselausbildung fuer hochbelastete ventiltriebe von kraftmaschinen
US4273028A (en) * 1978-04-12 1981-06-16 Linde Aktiengesellschaft Valves and operating system for expansion machines
EP0062933A1 (de) * 1981-04-10 1982-10-20 Giorgio Rebolini Druckluftmotor mit variablem Volumen der Einlasskammer
DE3121695A1 (de) * 1981-06-01 1982-12-16 Adolf H. 7322 Donzdorf Borst Verfahren zur verbesserten ausnutzung der beim betrieb einer waermepumpe eingesetzten energie und einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
US5024142A (en) * 1989-07-24 1991-06-18 Vrhel Sr Thomas Cyclically operating fluid drive motor with magnetically controlled diaphragm valves
AT393297B (de) * 1979-03-23 1991-09-25 Denzel Kraftfahrzeug Wolfgang Zylinderkopf fuer brennkraftmaschinen
DE10019809C2 (de) * 2000-04-20 2003-10-23 Eduard Menrath Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhr für einen Zylinder eines mit Druckluft betriebenen Kolbenmotors

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE235626C (de) *
DE2355794A1 (de) * 1973-11-08 1975-05-15 Sen Richard Kuechen Nocken- und stoesselausbildung fuer hochbelastete ventiltriebe von kraftmaschinen
US4273028A (en) * 1978-04-12 1981-06-16 Linde Aktiengesellschaft Valves and operating system for expansion machines
AT393297B (de) * 1979-03-23 1991-09-25 Denzel Kraftfahrzeug Wolfgang Zylinderkopf fuer brennkraftmaschinen
EP0062933A1 (de) * 1981-04-10 1982-10-20 Giorgio Rebolini Druckluftmotor mit variablem Volumen der Einlasskammer
DE3121695A1 (de) * 1981-06-01 1982-12-16 Adolf H. 7322 Donzdorf Borst Verfahren zur verbesserten ausnutzung der beim betrieb einer waermepumpe eingesetzten energie und einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens
US5024142A (en) * 1989-07-24 1991-06-18 Vrhel Sr Thomas Cyclically operating fluid drive motor with magnetically controlled diaphragm valves
DE10019809C2 (de) * 2000-04-20 2003-10-23 Eduard Menrath Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Druckluftzufuhr für einen Zylinder eines mit Druckluft betriebenen Kolbenmotors

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