DE102009044930A1 - Gasexpansionsmotor - Google Patents
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Abstract
Ein Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, umfasst eine Druckgasquelle (2), mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (3) mit jeweils einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung (3) ein elektronisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie ein elektronisches Steuergerät (12), welches das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasexpansionsmotor, insbesondere einen Druckluftmotor.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasexpansionsmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, der umfasst:
eine Druckgasquelle;
mindestens eine Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben, wobei die Kolbenzylinderanordnung ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie
eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches Steuergerät sein. - Bei nur einer einzigen Kolbenzylinderanordnung kann der erforderliche Rückhub des Kolbens beispielsweise durch die Schwungmasse des Motors erfolgen. Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor umfasst bevorzugt jedoch mindestens zwei Zylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben vorgesehen, wobei die Kolben für ihren Rückhub zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches Steuergerät sein.
- Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind das Einlassventil und/oder das Auslassventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
- Um einen Unterdruck im Arbeitsraum, insbesondere wenn mit geringer Luftmenge gearbeitet wird, und damit ein augenblickliches Stoppen des Kolbens bzw. des Motors zu verhindern, ist vorzugsweise ein in Richtung auf den Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet und so auf Umgebungsdruck hält. Vorteilhafterweise ist das Rückschlagventil im Kolben oder im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
- Vorzugsweise ist im Zylinder oder im Zylinderkopfdeckel eine Heizung zum Erwärmen des Arbeitsraumes vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird.
- Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist außerdem ein Druckspeicher vorgesehen, der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Bei abgeschalteter Druckluftzufuhr kann der Druckluftmotor so ohne Umbau als Kompressor betrieben werden, indem bei entsprechender Ansteuerung der Ein- und Auslassventile der im Arbeitsraum herrschende Überdruck durch das Überdruckventil in den Druckspeicher gefördert wird. Vorteilhafterweise ist auch dieses Rückschlagventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
- Es zeigen:
-
1 ,2 den erfindungsgemäßes Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrer einen Totpunktlage (1 ) und in ihrer anderen Totpunktlage (2 ). - Der in
1 und2 gezeigte Druckluftmotor1 weist eine Druckluftquelle (z. B. Druckluftflasche)2 und zwei Kolbenzylinderanordnungen3 mit jeweils einem Zylinder4 und einem darin verschiebbar geführten Kolben5 auf. Die beiden Kolben5 treiben jeweils über eine Pleuelstange6 eine drehbar gelagerte Taumelscheibe7 an und sind über die Taumelscheibe7 gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt. - Die beiden Kolbenzylinderanordnungen
3 sind identisch aufgebaut und umfassen jeweils: - – ein elektronisch ansteuerbares Einlassventil
8 , das den Zylinder- oder Arbeitsraum9 des Zylinders4 mit der Druckluftquelle2 verbindet; - – ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil
10 , das den Arbeitsraum9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbindet, - – ein in Richtung auf den Arbeitsraum
9 öffnendes Rückschlag- bzw. Saugventil11 , das bei einem im Arbeitsraum9 gegenüber dem Atmosphärendruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum9 mit der Atmosphäre verbindet; und - – ein elektronisches Steuergerät
12 , welches auf den oberen bzw. unteren Totpunkt der Kolben5 justiert ist und die Ein- und Auslassventile8 ,10 in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert. - Wie in den Figuren gezeigt, sind die Ein- und Auslassventile
8 ,10 außerhalb des Zylinders4 angeordnet. Alternativ können das Einlassventil8 und/oder das Auslassventil10 auch am Zylinder4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel13 des Zylinders4 angeordnet sein. Die Einlass- und Auslassventile8 ,10 sind vorzugsweise 2/2-Wege-Magnetventile. - Wie in den Figuren gezeigt, ist das Saugventil
11 in der Kolbenfläche des Kolbens5 angeordnet und verbindet so den Arbeitsraum9 mit dem zur Atmosphäre hin offenen, rückwärtigen Zylinderraum. Alternativ kann das Saugventil11 ebenfalls im Zylinderkopfdeckel13 angeordnet sein. - Im Zylinder
4 und auch im Zylinderkopfdeckel13 , in der die vom Einlassventil10 zum Arbeitsraum9 führende Druckluftleitung14 verläuft, ist eine Heizung15 zum Erwärmen des Arbeitsraumes9 vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum9 aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird. Außerdem ist der gesamte Zylinder4 von einer Wärmeisolierung16 umgeben, um Wärmeverluste zu vermeiden. Sofern keine Heizung und Wärmeisolierung vorgesehen sind, kann der Zylinder4 alternativ mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen. - Außerdem kann noch ein Druckspeicher (Kompressionsraum)
17 vorgesehen sein, der über ein aus dem Arbeitsraum9 bei einem Überdruck selbsttätig öffnendes Rückschlag- bzw. Überdruckventil18 an den Arbeitsraum9 angeschlossen ist. Wie in den Figuren gezeigt, ist, ist dieses Überdruckventil18 außerhalb des Zylinders4 angeordnet, kann jedoch alternativ auch am Zylinder4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel13 angeordnet sein. - Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors
1 wird im Folgenden anhand der in den Figuren linken Kolbenzylinderanordnung3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung3 ist analog, aber gegenläufig versetzt. - In dem in
1 gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens5 wird das Einlassventil8 vom Steuergerät12 durch einen kurzen elektronischen Impuls angesteuert und öffnet kurzzeitig, damit die unter Hochdruck stehende Druckluft in den Arbeitsraum (Expansionsraum)9 des Zylinders einströmt. Nach Schließen des Einlassventils8 expandiert die Druckluft bis zum Expansionsendpunkt, aber höchstens bis zum Atmosphärendruck, und verschiebt dadurch den Kolben5 nach unten. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben5 versetzt über die Taumelscheibe7 die Antriebsachse19 zusammen mit einem Schwungrad20 in Rotation. Wenn sich der im Arbeitsraum9 herrschende Druck auf Atmosphärendruck entspannt hat, bevor der untere Totpunkt erreicht ist, würde die Bewegung des Kolbens5 augenblicklich gestoppt werden und der Druckluftmotor1 anhalten. Um dies zu verhindern, ist das Saugventil11 vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum9 herrschenden Unterdruck öffnet und so den Arbeitsraum9 bis zum Erreichen des unteren Totpunkts auf Atmosphärendruck hält, wodurch ein Stoppen des Kolbens5 verhindert wird. - In dem in
2 gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens5 wird das Auslassventil10 vom Steuergerät12 angesteuert und öffnet bis zum Erreichen des oberen Totpunkts, so dass die im Arbeitsraum9 vorhandene Luft durch das Auslassventil10 entweichen kann. Bevorzugt schließt das Auslassventil10 kurz vor dem oberen Totpunkt, damit der Kolben5 durch das verbleibende Luftpolster im Arbeitsraum9 abgebremst wird. Die Rückstellbewegung (Rückstellphase) des linken Kolbens5 vom unteren zum oberen Totpunkt wird im Betrieb durch den rechten Kolben5 bewirkt, der sich aufgrund seiner Gegenläufigkeit in seiner Expansionsphase befindet. In der Rückstellphase werden die Kolben5 außerdem vom Schwungrad18 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden. - Durch die Heizung
15 wird die im Arbeitsraum9 befindliche bzw. zugeführte Druckluft erwärmt, wodurch Druck und Volumen der Druckluft erhöht werden. Folglich wird die Arbeitsleistung gesteigert und weniger Druckluft benötigt und somit der Wirkungsgrad des Druckluftmotors1 weiter erhöht. - Ist die Druckluftzufuhr abgeschaltet, schaltet das Steuergerät
12 um, und der Druckluftmotor1 wird ohne Umbau als Kompressor betrieben, der den im Arbeitsraum9 herrschenden Überdruck durch das Überdruckventil18 in den Druckspeicher17 fördert. In diesem Fall wird durch das Saugventil11 kalte Umgebungsluft in den Arbeitsraum9 zur Kühlung des Kompressors eingelassen, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kompressors erhöht. - Statt der gezeigten Taumelscheibe können die beiden Kolben
5 auch durch jeden anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z. B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse19 verbunden sein.
Claims (10)
- Gasexpansionsmotor (
1 ), insbesondere Druckluftmotor, umfassend: eine Druckgasquelle (2 ), mindestens eine Kolbenzylinderanordnung (3 ) mit einem Zylinder (4 ) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5 ), wobei die Kolbenzylinderanordnung (3 ) ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil (8 ), das den Arbeitsraum (9 ) des Zylinders (4 ) mit der Druckgasquelle (2 ) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil (10 ), das den Arbeitsraum (9 ) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung (12 ), die das Einlassventil (8 ) und das Auslassventil (10 ) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. - Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (
3 ) mit jeweils einem Zylinder (4 ) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5 ), wobei die Kolben (5 ) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung (3 ) ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil (8 ), das den Arbeitsraum (9 ) des Zylinders (4 ) mit der Druckgasquelle (2 ) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil (10 ), das den Arbeitsraum (9 ) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung (12 ), die das Einlassventil (8 ) und das Auslassventil (10 ) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. - Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (
8 ) im Zylinderkopfdeckel (13 ) des Zylinders (4 ) angeordnet ist. - Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (
10 ) im Zylinderkopfdeckel (13 ) des Zylinders (4 ) angeordnet ist. - Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Richtung auf den Arbeitsraum (
9 ) öffnendes Rückschlagventil (11 ) vorgesehen ist, das bei einem im Arbeitsraum (9 ) gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum (9 ) mit der Umgebung verbindet. - Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (
11 ) im Kolben (5 ) oder im Zylinder (4 ), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13 ) des Zylinders (4 ), angeordnet ist. - Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Zylinder (
4 ), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13 ), eine Heizung (15 ) zum Erwärmen des Arbeitsraumes (9 ) vorgesehen ist. - Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (
17 ), der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum (9 ) öffnendes Rückschlagventil (18 ) mit dem Arbeitsraum (9 ) verbunden ist. - Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (
18 ) im Zylinderkopfdeckel (13 ) des Zylinders (4 ) angeordnet ist. - Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (
4 ) mit einer Wärmeisolierung (16 ) oder mit Rippen versehen ist.
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