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Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, umfassend eine Druckgasquelle und mindestens eine Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder, einem darin verschiebbar geführten Kolben, einem Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens einen Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, als auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasexpansionsmotors.
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Dieser bekannte Gasexpansionsmotor umfasst 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, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Gasexpansionsmotor der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Öffnen des Einlassventils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und dass das Einlassventil als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil, welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum mit der Druckgasquelle zu verbinden.
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Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Totpunkt des Kolbens nicht nur der exakte Totpunkt verstanden, sondern auch Abweichungen vom exakten Totpunkt von bis zu ±10% des gesamten Kolbenhubs zwischen den beiden Totpunkten.
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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 Kolbenzylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder, einem darin verschiebbar geführten Kolben, einem Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens einen Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, wobei die Kolben zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind, wobei bei Öffnen der Einlassventile jeweils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und wobei die Einlassventile jeweils als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil, welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im oberen Totpunkt den Arbeitsraum mit der Druckgasquelle zu verbinden.
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Erfindungsgemäß führt die durch Öffnen des druckgesteuerten Einlassventils im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Gasexpansionsmotors. Je höher der im Arbeitsraum herrschende Druck bei Öffnen des Einlassventils bereits ist, desto größer ist die im Arbeitsraum vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum auf den Kolben als Druckimpuls übertragen. Der vorherige Druckaufbau im Arbeitsraum bewirkt das sofortige Ansprechen des Motors und ermöglicht hohe Drehzahlen.
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Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor benötigt keine elektrischen Bauteile und ist daher explosionssicher. Für die bis zum ersten Totpunkt stattfindende Vorverdichtung im Arbeitsraum ist nur eine geringe Energie notwendig, die bei der Expansion wieder zurückkommt. Die Abkühlung des Gasexpansionsmotors ist gering, weil sich die dem Arbeitsraum neu zugeführte kalte Luft mit der komprimierten warmen Luft des Arbeitsraumes mischt.
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Vorzugsweise ist der Arbeitsraum über eine Ventilöffnung, mit einem an die Druckgasquelle angeschlossenen Druckspeicherraum verbunden, um bei geöffnetem Einlassventil den Arbeitsraum mit dem höheren Druck des Druckspeicherraums zu verbinden. Der Druckspeicherraum ist um ein Vielfaches größer als der Arbeitsraum im ersten Totpunkt und unmittelbar, also ohne zwischengeschaltete Zuleitungen, mit dem Arbeitsraum verbunden, so dass im Druckspeicherraum kein Druckabfall auftritt, wenn Druckgas aus dem Druckspeicherraum in den Arbeitsraum abströmt.
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Das Einlassventil kann im Arbeitsraum, in einem Zylinderdeckel oder, was bevorzugt ist, im Druckspeicherraum angeordnet sein.
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Besonders vorteilhaft weist das Einlassventil einen Ventilstößel auf, der im Druckspeicherraum gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder verschiebbar geführt ist und der in dem ersten Totpunkt von dem im Arbeitsraum herrschenden Überdruck oder mechanisch, z.B. durch Nocken auf dem Kolben selbst oder von einer Nockenwelle, geöffnet wird. Bevorzugt ist dabei der Öffnungsquerschnitt, insbesondere Öffnungsdurchmesser, der Ventilöffnung kleiner als die die Ventilöffnung verschließende vordere Stirnseite des Ventilstößels. Für den Fall, dass die der Ventilöffnung abgewandte, hintere Stirnseite des Ventilstößels gegenüber dem Druckspeicherraum abgedichtet ist, kann auf die hintere Stirnseite des Ventilstößels nur Umgebungsdruck wirken, um die auf den Ventilstößel wirkende Ventilschließkraft möglichst klein zu halten.
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Besonders vorteilhaft ist das Auslassventil ein Schieberventil, das durch den Kolben und mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung gebildet ist, welche in dem unteren Totpunkt des Kolbens von dem Kolben überfahren ist und dadurch den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet.
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Das Auslassventil kann eine einzige zylindermantelseitige Auslassöffnung oder, was bevorzugt ist, mehrere auf gleicher Höhe angeordnete, zylindermantelseitige Auslassöffnungen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist die mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung – z.B. als Lochhülse – am Zylinder axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position der Auslassöffnung den Kompressionshub des Kolbens und damit den im ersten Totpunkt herrschen Überdruck im Arbeitsraum einstellen zu können.
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Vorzugsweise ist eine Heizung zum Erwärmen des Druckspeicherraumes vorgesehen, um die Druckluft im Druckspeicherraum aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird.
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Besonders bevorzugt ist der Zylinder an einem Motorgehäuse gegenüber dem Kolben axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position des Zylinders gegenüber dem Kolben das Volumen des Arbeitsraums im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum Öffnen des Einlassventils im Arbeitsraum erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres Öffnen des Einlassventils.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Gasexpansionsmotors, insbesondere eines Druckluftmotor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Komprimieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den ersten Totpunkt auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist,
- – Verbinden des Arbeitsraums mit der Druckgasquelle durch druckgesteuertes oder mechanisch gesteuertes Öffnen des Einlassventils im oberen Totpunkt,
- – Expandieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den zweiten Totpunkt, und
- – Verbinden des Arbeitsraums mit der Umgebung durch Öffnen des Auslassventils im zweiten Totpunkt.
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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.
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Es zeigen:
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1a, 1b einen erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrem einen Totpunkt (1a) und in ihrem anderen Totpunkt (1b); und
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2 eine Detailansicht eines in 1 gezeigten Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geschlossenen Ventilstellung; und
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3 eine Detailansicht eines alternativen Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geöffneten Ventilstellung.
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Der in 1a, 1b gezeigte Druckluftmotor 1 weist eine Druckluftquelle (z.B. Druckluftflasche) 2 mit z.B. 10 bar und zwei Kolbenzylinderanordnungen 3 mit jeweils einem Zylinder 4 und einem darin verschiebbar geführten Kolben 5 auf. Die beiden Kolben 5 treiben jeweils über eine Pleuelstange 6 eine drehbar gelagerte Taumelscheibe 7 an und sind über die Taumelscheibe 7 gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt.
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Die beiden Kolbenzylinderanordnungen 3 sind identisch aufgebaut und umfassen jeweils ein Einlassventil 8, das den Zylinder- oder Arbeitsraum 9 des Zylinders 4 unmittelbar mit einem an die Druckgasquelle 2 angeschlossenen Druckspeicherraum 10 (ca. 10 bar) verbindet, und mehrere im Zylindermantel auf gleicher Höhe angeordnete, vom Kolben 5 überfahrbare Auslassöffnungen 11. Die Auslassöffnungen 11 sind dabei auf solch einer Höhe angeordnet, dass sie nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 vom Kolben 5 überfahren sind und somit in den Arbeitsraum 9 münden und den Arbeitsraum 9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbinden, wie dies in 1a für den rechten Kolben 5 und in 1b für den linken Kolben 5 gezeigt ist. Die Auslassöffnungen 11 bilden zusammen mit dem Kolben 5 ein als Schieberventil ausgebildetes Auslassventil, das nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre verbindet.
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Wie in 2 im Detail gezeigt, ist der Druckspeicherraum 10 über eine Öffnung 12 an die Druckluftquelle 2 angeschlossen und über eine Ventilöffnung 13 im Zylinderkopfdeckel 14 mit dem Arbeitsraum 9 verbunden. Der Zylinderkopfdeckel 14 bildet gleichzeitig eine Wand des Druckspeicherraums 10.
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Das Einlassventil 8 ist als ein im Druckspeicherraum 10 angeordnetes Überdruckventil ausgeführt, das die Ventilöffnung 13 bei einem im Arbeitsraum 9 herrschenden, vorbestimmten Überdruck (z.B. 5 bar) freigibt. Das Einlassventil 13 umfasst einen Ventilstößel 15, der im Druckspeicherraum 10 in einer Führungshülse 16 abgedichtet und gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder 17 verschiebbar geführt ist. In der in 2 gezeigten geschlossenen Ventilstellung verschließt der Ventilstößel 15 mit seiner einen, vorderen Stirnseite 15a die Ventilöffnung 13. Der Öffnungsdurchmesser d der Ventilöffnung 13 ist kleiner als der Durchmesser der vorderen Stirnseite 15a des Ventilstößels 15 und stellt somit den wirksamen Druckdurchmesser dar, auf den der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck in Ventilöffnungsrichtung wirkt. Auf die andere, hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkt Atmosphärendruck. Wenn die auf den Ventilstößel 15 wirkende Öffnungskraft aufgrund eines im Arbeitsraum 9 herrschenden Überdrucks größer ist als die auf den Ventilstößel 15 wirkende Schließkraft aufgrund der Ventilschließfeder 17 und aufgrund des auf die hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkenden Atmosphärendrucks, hebt der Ventilstößel 15 von der Ventilöffnung 13 ab, und das Einlassventil 8 öffnet.
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Im Druckspeicherraum 10 kann optional eine Heizung 18 zum Erwärmen des Druckspeicherraumes 10 vorgesehen sein, um die Druckluft im Druckspeicherraum 10 aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesentlich größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird. Auch kann der Zylinder 4 mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen.
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Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors 1 wird im Folgenden anhand der in 1a, 1b linken Kolbenzylinderanordnung 3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung 3 ist analog, aber gegenläufig versetzt.
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In dem in 1a gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens 5 ist die im Arbeitsraum 9 vorhandene Luft auf einen solchen Überdruck von z.B. 5 bar komprimiert, dass das Einlassventil 8 öffnet. Da der im Druckspeicherraum 10 herrschende Hochdruck (10 bar) höher ist als der im Arbeitsraum 9 herrschende Überdruck (5 bar), strömt die unter Hochdruck stehende Druckluft aus dem Druckspeicherraum 10 in den Arbeitsraum (Expansionsraum) 9 des Zylinders 4 ein. Diese zugeführte Druckerhöhung wird in Leistung des Druckluftmotors 1 umgesetzt.
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Aufgrund des sich mit der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 vergrößernden Arbeitsraums 9 (Expansionsphase) sinkt der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck ab, wodurch das Einlassventil 8 schließt. Danach expandiert die Druckluft weiter und verschiebt dadurch den Kolben 5 nach unten bis in seinen unteren Totpunkt. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben 5 versetzt über die Taumelscheibe 7 eine Antriebsachse 19 zusammen mit einem Schwungrad 20 in Rotation.
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In dem in 1b gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens 5 sind die Auslassöffnungen 11 vom Kolben 5 überfahren und verbinden nun den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre, so dass der im Arbeitsraum 9 herrschende Überdruck auf Atmosphärendruck abgesenkt wird. Die Kolbenzylinderanordnung 3 ist so ausgelegt (z.B. über das Volumen des Arbeitsraums 9 in dem oberen und unteren Totpunkt, den Hochdruck im Druckspeicherraum 10, den vorbestimmten Überdruck, etc.), dass bei Erreichen des oberen Totpunkts mindestens der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck (z.B. 5 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und dass bei Erreichen des unteren Totpunkts noch ein Überdruck (z.B. 2 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und somit der Kolben 5 stets seinen unteren Totpunkt erreicht.
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Die Rückstellbewegung (Rückstellphase) des linken Kolbens 5 vom unteren zum oberen Totpunkt wird im Betrieb durch den rechten Kolben 5 bewirkt, der sich aufgrund seiner Gegenläufigkeit in seiner Expansionsphase befindet. In der Rückstellphase werden die Kolben 5 außerdem vom Schwungrad 20 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden.
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Die durch Öffnen des Einlassventils 8 im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum 9 führt zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Druckluftmotors 1. Je höher der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck ist, desto größer ist die im Arbeitsraum 9 vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum 10 auf den Kolben 5 als Druckimpuls übertragen. Je höher also der vorbestimmte Überdruck des Einlassventils 8 ist, desto schneller wird bei gleicher Druckdifferenz der Kolben 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt beschleunigt.
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Statt der gezeigten Taumelscheibe 7 können die beiden Kolben 5 auch durch jeden anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z.B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse 19 verbunden sein.
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Wie in 1 gezeigt, können die Zylinder 4 an einem Motorgehäuse 21 gegenüber dem Kolben axial verschiebbar (Doppelpfeil 22) und feststellbar angeordnet sein, um über die axiale Position der Zylinder 4 gegenüber den Kolben 5 das Volumen des Arbeitsraums 9 im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum Öffnen der Einlassventile 8 im Arbeitsraum 9 erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres Öffnen des Einlassventils. Die Zylinder 4 samt ihren Einlassventilen 8 können über eine hier nur schematisch angedeutete Klemmvorrichtung 23 am Motorgehäuse 21 axial verschiebbar geführt und in der gewünschten Position festgeklemmt werden.
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3 zeigt ein alternatives mechanisch gesteuertes Einlassventil 8‘, bei dem der Kolben 5 einen Nockenstift 24 aufweist, der im oberen Totpunkt durch die Ventilöffnung 13 hindurchragt und den Ventilstößel 15 von dem Zylinderkopfdeckel 14 abgehoben hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009044930 A1 [0002]
