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Die Erfindung betrifft einen zwei- oder mehrkolbigen Fluiddruckmotor.
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Fluiddruckmotoren (insbesondere Gasexpansionsmotoren) werden in der Regel dort eingesetzt, wo der Betrieb von Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren zu gefährlich ist, oder als alternative Antriebsart. Es gibt verschiedenste Ausführungsformen von Gasexpansionsmotoren in Fahrzeugen und Werkzeugmaschinen.
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DE 28 39 561 A1 beschreibt eine mit Druckmittel betätigte Kraftanlage in Form eines Kolben-Zylinder-Triebwerks mit einer durch die sich hin und her bewegenden Kolbendrehangetriebenen Antriebswelle, einem mit einer Druckmittelquelle verbundenen Ansaug-Sammelrohr und einem Auspuff-Sammelrohr, wobei Ventileinrichtungen zwischen den Zylindern angeordnet und mit den Sammelrohren verbunden sind, wobei die Ventileinrichtungen durch Druckmittel betätigbar sind, um Druckmittel den Zylindern nacheinander zuzuführen, und dass den Ventileinrichtungen Federn zugeordnet sind, um die Ventile in die Auspuffstellung zu bewegen.
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DE2054487A offenbart eine durch Druck betätigte Antriebsmaschine, bei der keine Verbrennung auftritt und die Luft also nicht verunreinigt wird.
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DE507226A befasst sich mit Verbesserungen an einfachwirkenden Dampfmaschinen, bei der an Stelle von Kreuzköpfen geschlossene Führungskolben in geschlossenen Führungszylindern angeordnet sind, die ebenfalls durch Ausgleichsräume untereinander in Verbindung stehen.
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GB 2 459 079 A beschreibt einen Luftmotor mit einer Inline-Anordnung von Kolben und Zylindern. Druckluft wird durch Ventile, die vom elektronischen Motorsteuergerät gesteuert werden, ein- und ausgeblasen.
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US 4,036,106 A offenbart ein Steuersystem zum Steuern des Betriebs eines Ventilaktuators. Das System umfasst ein Steuerventil zum Fördern von Betriebsfluid zu dem Aktuator in Reaktion auf ein Aktuatorsteuersignal. Eine einzelne Leitung, die betriebsmäßig mit dem Stellglied-Steuerventil verbunden ist, liefert sowohl Betriebsfluid an das Steuerventil als auch ein Stellglied-Steuersignal an das Steuerventil.
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WO 2015/014205 A1 befasst sich mit einem Luft-Energie-Abgas- und Druckbeaufschlagungszyklus-Motor, der Luft als Medium verwendet.
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Nachteil dieser Vorrichtungen ist, dass der Aufbau eines zwei- oder mehrkolbigen Gasexpansionsmotors im Hinblick auf seine Leistung vergleichsweise kompliziert und teuer ist. Zudem wurden bisher lediglich Gase als Fluide eingesetzt, und keine flüssigen Fluide.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen einfachen und preisgünstigen zwei- oder mehrkolbigen Fluiddruckmotor zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines entsprechenden Verfahrens zum Betrieb eines solchen Fluiddruckmotors.
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Diese Aufgabe wird durch einen Fluiddruckmotor gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Der erfindungsgemäße Fluiddruckmotor umfasst mindestens zwei Hubkolben, welche über eine Kurbelwelle miteinander verbunden sind und mittels dieser Kurbelwelle eine Drehbewegung erzeugen. Der Fluiddruckmotor ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Hubkolben an ein Pumpensystem angeschlossen sind, wobei das Pumpensystem die Hubkolben mit einem periodisch wechselnden Druck beaufschlagt, wobei die Phase des wechselnden Drucks stets der Bewegung der Hubkolben entspricht und die Periode des wechselnden Drucks stets der Drehzahl des Motors angepasst ist. Der Fluidmotor enthält dabei eine Pumpe, welche einen Fluidauslass, einen Innenraum und ein Oszillatorelement umfasst, wobei das Oszillatorelement dazu ausgestaltet ist, das Fluid im Innenraum der Pumpe in longitudinale Schwingungen zu versetzen, wobei der Fluidauslass der Pumpe mit dem Fluideinlass eines Hubkolbens verbunden ist, so dass das Fluid aus der Pumpe in den Expansionsraum des Hubkolbens fließen kann
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Der Arbeitsablauf eines Gasexpansionsmotors ist dem Fachmann bekannt. Bei herkömmlichen Gasexpansionsmotoren öffnet sich für jeden Zylinder ein Einlassregelventil und lässt ein unter Hochdruck stehendes Gas in den Expansionsraum (Zylinder). Nach Schließen des Einlassregelventils expandiert das Gas bis zum Expansionsendpunkt und strömt danach durch das Auslassventil aus.
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Gemäß der Erfindung müssen mindestens zwei Hubkolben, insbesondere alle Hubkolben, an ein Pumpensystem angeschlossen sein, wobei das Pumpensystem die angeschlossenen Hubkolben mit einem periodisch wechselnden Druck beaufschlagt. Damit sich die Kolben, die alle an der Kurbelwelle angreifen, nicht gegenseitig blockieren, muss die Periode des alternierenden Drucks natürlich stets der Drehzahl des Motors angepasst sein. Dazu wird bevorzugt ein Steuersystem verwendet, die Synchronisation kann jedoch auch mittels der Einlassregelventile sichergestellt werden, wie es bereits dem Fachmann bekannt ist.
Zudem ist es selbstverständlich, dass die Phase, in der das unter Druck stehende Gas die Kolben erreicht, diese zum richtigen Zeitpunkt in den Zylinder drückt, da sich ansonsten die Kolben untereinander blockieren würden.
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Dieses Prinzip der Phasenverschiebung der erregenden Kraft ist bekannt, seit es mehrzylindrische Motoren gibt.
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Das besondere der Erfindung ist, dass die Hubkolben nicht aus einem gemeinsamen Gastank gespeist werden und die Einlassregelventile jedem Kolben mit der richtigen Phase komprimiertes Gas zuführen, sondern dass mindestens zwei der Kolben von dem Pumpsystem mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt werden, wobei ein Fluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, als Medium verwendet wird.
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Bei einem Gas kann die Ausdehnung des Gases ausgenutzt werden, im Hinblick auf eine Flüssigkeit kann die Kopplung mit einem wechselnden Druck/Unterdruck der Pumpe ausgenutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Steuerung nicht mehr bei den Einlassregelventilen, sondern beim Pumpsystem, so dass der Motor bevorzugt keine Einlassregelventile des Motors aufweist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform, bei der zwischen den Pumpen und den einzelnen Zylindern Druckspeicher verwendet werden, werden zur Steuerung die Einlassregelventile zumindest zusätzlich verwendet.
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Das Pumpsystem umfasst eine Pumpe, die dazu ausgelegt ist, periodisch an verschiedenen Positionen lokal unterschiedlichen Druck („Druckdomänen“) zu erzeugen, wobei diese Druckdomänen bezüglich ihres periodisch wechselnden Drucks zueinander phasenverschoben sind, und/oder das Pumpsystem umfasst mehrere Pumpen, die phasenverschoben arbeiten.
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Bevorzugt sind die Pumpen mechanisch so ausgelegt, dass sie die notwendige Phasenverschiebung erreichen, oder der Motor umfasst ein elektronisches oder mechanisches Steuersystem, welches den Betrieb der einzelnen Pumpen steuert/regelt oder zumindest die an den Hubkolben anliegenden Druckdomänen regelt.
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Geeignete Pumpen sind dem Fachmann bekannt. Im Grunde können beliebige herkömmliche Pumpen verwendet werden, sofern ihr Druckausstoß gemäß der Erfindung gesteuert/geregelt ist. Dazu umfasst der Fluiddruckmotor bevorzugt ein Steuer- oder Regelsystem zur Regelung des Fluidausstoßes der Pumpen oder des Fluideinlasses in die Zylinder zu den Hubkolben. Die Verwendung mehrerer Pumpen geht oftmals mit einer erhöhten Geräuschemission einher, die jedoch nicht von Nachteil sein muss, da die Überschreitung eines Geräuschminimums im Hinblick auf ein Kraftfahrzeug zur Verbesserung der Verkehrssicherheit beiträgt.
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Auch wenn als Fluid Gas bevorzugt wird, da es sich im Expansionsraum des Motors ausdehnen kann, ist es auch möglich, eine Flüssigkeit zu verwenden, wenn jeder der Hubkolben aktiv durch eine Pumpe mit dem notwendigen alternierenden, phasenverschobenen Fluiddruck beaufschlagt wird. Es ist mithin bei einer Flüssigkeit auch nicht mehr zwingend notwendig, dass der Motor einen Fluidauslass aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Pumpe, bei der diese die Flüssigkeit periodisch durch den Auslass ausstößt und wieder einzieht, kann der Hubkolben auch ohne einen Fluidauslass betrieben werden. Grob gesagt „pendelt“ die Flüssigkeit zwischen Hubkolben und Pumpe hin und her.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens eine Pumpe der nachfolgend beschriebenen Art verwendet.
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Die bevorzugte Pumpe umfasst einen Fluideinlass mit einem Einlassventil, einen Fluidauslass mit einem Auslassventil, einen Innenraum und ein Oszillatorelement, welches dazu ausgestaltet ist, das Fluid im Innenraum der Pumpe in longitudinale Schwingungen zu versetzen. Der Fluidauslass der Pumpe ist dabei mit dem Fluideinlass eines Hubkolbens verbunden, so dass das Fluid aus der Pumpe in den Expansionsraum des Hubkolbens fließen kann.
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Zwischen Auslassventil der Pumpe und Einlassregelventil des Hubkolbens kann eine Kammer zur Druckspeicherung angeordnet sein, es ist aber bevorzugt, auf eine solche Kammer zu verzichten, was bei geeigneter Wahl der Frequenz des Oszillatorelements durchaus möglich ist. Daher ist eine Anordnung bevorzugt, bei der das Auslassventil zugleich das Einlassregelventil eines Hubkolbens ist, wobei der Motor insbesondere zusätzlich eine Einheit umfasst, die die Frequenz des Oszillatorelements in Abhängigkeit der Drehzahl des Motors steuert oder regelt. Je schneller die Drehzahl des Motors ist, desto höher muss die Frequenz des Oszillatorelements sein, um dem Motor stets zum richtigen Zeitpunkt einen Druckpuls zu liefern.
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Fluideinlässe und Fluidauslässe sind dem Fachmann bekannt. Hierbei handelt es sich im einfachsten Fall um die Mündung zweier Rohre, durch die das Fluid in den Innenraum hinein und aus dem Innenraum heraus strömen kann. Einlassventil und Auslassventil müssen selbstverständlich dazu ausgelegt sein, einen Zustand einzunehmen, in dem der Einlass bzw. der Auslass fluiddicht verschlossen ist (Zustand: „geschlossen“), und einen Zustand, bei dem ein Fluidfluss in den Einlass bzw. aus dem Auslass möglich ist (Zustand: offen).
Die Ventile können aktiv (Steuersignale zur Öffnung) oder passiv ausgelegt sein. Dem Fachmann sind solche Ventile bekannt.
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Der Innenraum ist in der einfachsten Form ein beliebiger Hohlraum, in den Fluideinlass und Fluidauslass münden. Bevorzugt sind diese Mündungen an gegenüberliegenden Seiten, derselben Seite oder benachbarten Seiten vorgesehen.
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Das Oszillatorelement ist zum Druckaufbau notwendig. Indem es das Fluid im Innenraum der Pumpe in longitudinale Schwingungen versetzt, entstehen in bestimmten Arealen des Innenraumes Bereiche höheren Drucks („Wellenberge“ der Druckwellen) und niedrigeren Drucks („Wellentäler“ der Druckwellen).
Bevorzugte Oszillatorelemente sind so ausgestaltet, dass sie den Innenraum periodisch vergrößern und verkleinern, und/oder ihr Volumen und/oder ihre Anordnung im Innenraum periodisch verändern (z.B. als Lautsprecher ausgestaltet).
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Die Funktion eines bevorzugten Fluiddruckmotors mit einer Pumpe mit einem Oszillatorelement basiert auf den Schritten:
- - Anlegen eines Eingangsdrucks PE am Fluideinlass und initial im Innenraum der Pumpe,
- - Erzeugung von Druckwellen im Innenraum der Pumpe,
- - Öffnung des Auslassventils und/oder des Einlassregelventils eines Zylinders, wenn der lokale Druck im Innenraum am Auslassregelelement größer ist als der Auslassdruck PA hinter dem Auslassregelelement im Fluidauslass (Wellenberg am Auslass), oder beaufschlagen des Hubkolbens mit dem lokalen Druck an der Oberfläche des Hubkolbens,
- - Öffnung des Einlassventils, wenn der lokale Druck im Innenraum am Einlassventil kleiner ist als der Einlassdruck PE hinter dem Einlassventil im Einlass (Wellental am Einlass).
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Es ist selbstverständlich, dass der Begriff „hinter“ im Vorangehenden „jenseits des Innenraums“ bedeutet. Der Druck PE bzw. PA herrscht dabei im Einlass bzw. Auslass jenseits des Innenraums und diese Druckdomänen werden durch die Regelelemente vom Innenraum so lange getrennt, bis der lokale Druck an den betreffenden Regelelementen dermaßen ist, dass ein Fluidstrom vom Einlass in den Innenraum bzw. vom Innenraum in den Auslass möglich ist.
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Bevorzugt ist mindestens eine Wand des Innenraums als Hohlspiegel (für Schall bzw. Druckwellen) geformt, insbesondere als ein sphärischer Spiegel oder ein Parabolspiegel. Dazu ist sie im einfachsten Falle einfach nach außen gewölbt, so dass der Innenraum dort eine konkave Wölbung aufweist.
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Einlass und/oder Auslass sind insbesondere im Brennpunkt eines solchen Hohlspiegels angeordnet. Das Oszillatorelement ist relativ zu Hohlspiegel und zum Einlass und/oder zum Auslass bevorzugt so angeordnet, dass von ihm erzeugte Druckwellen in diesem Brennpunkt gebündelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Einlass und Auslass nebeneinander (weniger als eine Einlass- oder Auslassbreite) mit ihren Rändern beabstandet an einer gemeinsamen Wand des Innenraums angeordnet und die dieser Wand gegenüberliegende Wand des Innenraums ist als Hohlspiegel ausgestaltet, dessen Brennpunkt im Bereich des Einlasses und Auslasses liegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen sich Einlass und Auslass an einer Ausstülpung der Wand des Innenraums gegenüber, wobei sich der Brennpunkt genau in dieser Ausstülpung befindet.
Das Oszillatorelement ist dabei vorzugsweise jeweils so angeordnet, dass dessen Druckwellen (bzw. Schallwellen) von dem Hohlspiegel in dem Brennpunkt gebündelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Oszillatorelement so gestaltet, dass die von ihm abgestrahlten Moden nicht oder nur zu einem Teil von 10 % oder weniger mit den Raummoden des Innenraums überlappen.
Betrachtet man das Leistungsspektrum eines solchen Oszillatorelements in Abhängigkeit von der Frequenz und betrachtet die Frequenzen der Eigenmoden des Innenraums, so darf die Fläche dieser Leistungsspektrumskurve nur zu weniger als 10 % (insbesondere weniger als 1 %) im Bereich von Eigenfrequenzen des Innenraumes liegen.
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Auf diese Weise werden stehende Wellen unterbunden, was für einige Anwendungen und Innenraumformen von Vorteil ist. Bevorzugte Formen für den Innenraum sind in diesem Fall eine Kugel oder ein Würfel (ggf. mit einer oder zwei als Hohlspiegel geformten Wänden), wobei diese geometrischen Formen die Form der Ausnehmung darstellen. Solch einfache Formen weisen im Gegensatz zu komplexen Ausformungen nur wenige Raummoden auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Einlass und Auslass einer Pumpe mit Oszillatorelement mittels eines Fluidschalters mit einem Hubkolben verbunden, so dass in der ersten Stellung des Fluidschalters Fluid aus dem Auslass in den Zylinder strömen kann (aber nicht in den Einlass) und in der zweiten Stellung des Fluidschalters Fluid aus dem Zylinder in den Einlass strömen kann (aber nicht in den Auslass). Somit wird bei der Hubbewegung des Hubkolbens Fluid aus dem Auslass in den Einlass verbracht. Das Oszillatorelement ist bevorzugt so ausgestaltet, dass seine Frequenz so beschaffen ist, dass bei der ersten Stellung des Fluidschalters am Auslass ein lokales Druckmaximum vorliegt und bei der zweiten Stellung des Fluidschalters am Einlass ein lokales Druckminimum vorliegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der mindestens zwei Pumpen mit Oszillatorelementen vorliegen, sind Auslass einer Pumpe und Einlass einer anderen Pumpe mittels eines Fluidschalters mit einem Hubkolben verbunden (demselben Hubkolben), so dass in der ersten Stellung des Fluidschalters Fluid aus dem Auslass in den Zylinder strömen kann (aber nicht in den Einlass) und in der zweiten Stellung des Fluidschalters Fluid aus dem Zylinder in den Einlass strömen kann (aber nicht in den Auslass). Somit wird bei der Hubbewegung des Hubkolbens Fluid aus dem Auslass der einen Pumpe in den Einlass der anderen, phasenverschoben arbeitenden Pumpe verbracht.
Die Oszillatorelemente der beiden Pumpen sind bevorzugt so synchronisiert, dass bei gleicher Frequenz ihre Phasenverschiebung so beschaffen ist, dass bei der ersten Stellung des Fluidschalters am Auslass ein lokales Druckmaximum vorliegt und bei der zweiten Stellung des Fluidschalters am Einlass ein lokales Druckminimum vorliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche mit den beiden vorangegangenen Alternativen eine vorteilhafte Kombination darstellt, befinden sich zwischen Auslass und Fluidschalter und/oder zwischen Einlass und Fluidschalter Kammern, in denen sich Druck sammeln kann (bei einem flüssigen Fluid können die Kammern zur Druckspeicherung elastische Elemente oder ein Gas enthalten). Bei dieser Ausführungsform kann die Frequenz von Oszillatorelementen von der Drehzahl des Motors entkoppelt sein oder auch ein Vielfaches dieser Drehzahl sein.
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Mehrere erfindungsgemäße Pumpen lassen sich zum Betrieb des Motors auch in Serie schalten, um einen höheren Ausgangsdruck zu erhalten. Der Innendruck steigt mit jeder folgenden Pumpe, wobei es bis auf die Änderung der Schallimpedanz durch den steigenden Druck für die Oszillatorelemente keinen Unterschied macht, welcher Innendruck herrscht, da der Schalldruck bzw. die Druckwellen auf dem Innendruck aufmoduliert sind.
Ein besonders vorteilhaftes System umfasst mindestens zwei erfindungsgemäße Pumpen, wobei die Oszillatorelemente der beiden Pumpen miteinander synchronisiert sind (gleiche Frequenz der Druckwellen) und die Phasen der Oszillatorelemente aufeinander folgender Pumpen so eingestellt sind, dass zu dem Zeitpunkt, wenn bei der vorangehenden Pumpe ein lokal hoher Druck am Auslass herrscht, bei der folgenden Pumpe ein niedriger lokaler Druck am Einlass herrscht, wobei der genannte Auslass mit diesem Einlass verbunden ist bzw. der Auslass der vorangehenden Pumpe der Einlass der nachfolgenden Pumpe ist.
Auf diese Weise wird dem Fluid beim Hineinströmen in die folgende Pumpe ein möglichst geringer Innendruck entgegengesetzt, da dieser zu diesem Zeitpunkt lokal niedrig ist.
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Bevorzugt umfasst der Fluiddruckmotor zusätzlich mindestens einen Drucksensor zur Kontrolle des Innendrucks. Die Daten des Drucksensors werden insbesondere zur Steuerung der Ventile verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die bevorzugte Pumpe mindestens zwei Fluidauslässe, die bezüglich der lokalen Druckverteilung im Innenraum so angeordnet sind, dass sie an Positionen liegen, an denen eine entsprechende Phasenverschiebung des Drucks vorliegt. Da sich im Innenraum durch das Oszillatorelement Druckwellen bilden, die zu einem bestimmten Zeitpunkt an den Rändern des Innenraums ein klar definiertes Druckprofil erregen und zu jedem anderen Zeitpunkt (bei kontinuierlichem Betrieb) ein klar definiertes dazu phasenverschobenes Druckprofil, ist es möglich die Hubkolben mit diesen, lokal phasenverschobenen Druckdomänen zu betreiben.
Beispielsweise ist bei zwei Hubkolben ein Auslass (zu Hubkolben 1) dort angeordnet, wo zu einem bestimmten Zeitpunkt lokal maximaler Druck herrscht und ein anderer Auslass (zu Hubkolben 2) dort angeordnet, wo zu diesem Zeitpunkt lokal minimaler Druck herrscht. Zu verschiedenen Zeitpunkten wird der lokale Druck an diesen beiden Positionen stets um 180° phasenverschoben sein.
Diese Ausführungsform ist am besten bei einem Fall anwendbar, bei dem sich die Drehzahl nicht ändert, da sich ansonsten bei einer Anpassung der Frequenz des Oszillatorelements auch die Wellenlänge der Druckwellen im Innenraum ändern würde und damit bei festen Positionen der Auslässe auch die Phasenverschiebung des dort herrschenden lokalen Drucks. Dies könnte jedoch bei geeigneter Wahl der Form des Innenraumes oder durch Anpassung des Innendrucks kompensiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen Pumpe und Hubkolben kein Ventil angeordnet (weder ein Auslassventil noch ein Einlassregelventil). Der Hubkolben wird also direkt durch lokal hohen Druck am Hubkolben oder temporär hohem Druck in der Pumpe zur Kurbelwelle hingedrückt.
Bei dieser Ausführungsform muss nicht unbedingt ein Fluidauslass im Motor vorhanden sein, es kann auf einen solchen auch verzichtet werden und der Hubkolben durch eine folgende Domäne lokal oder temporär niedrigen Drucks wieder nach oben gezogen werden.
In diesem bevorzugten Falle benötigt die betreffende Pumpe des Motors auch keinen Einlass sondern lediglich einen geschlossenen Innenraum, an dem an einer Position der Wandung der Hubkolben angeordnet ist, und das oben beschriebene Oszillatorelement im Innenraum.
Man ist auch nicht mehr auf Gas beschränkt, sondern kann jedes Fluid verwenden. Flüssige Fluide können je nach Anwendung die Kraftkopplung zwischen Oszillatorelement und Hubkolben verbessern.
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Wohlgemerkt beansprucht die Erfindung nicht, herkömmliche Systeme wie Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad und ihre Leistung in allen Bereichen des täglichen Lebens zu übertreffen. Aufgrund der besonderen Kraftkopplung zwischen den Hubkolben und dem Erreger können die erfindungsgemäßen Motoren jedoch dort eingesetzt werden, wo herkömmliche Systeme wegen mannigfaltiger Gründe (z.B. Explosionsgefahr, gesundheitlicher Risiken, elektrischer/magnetischer Felder, Temperaturen) nicht eingesetzt werden können.
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Außerdem ist es mit einem solchen Motor möglich, die Energie von Vibrationen eines Systems oder die Energie von Druckschwankungen eines Systems in Drehungen umzusetzen, wodurch mittels eines handelsüblichen Generators elektrischer Strom erzeugt werden kann.
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Daher umfasst eine bevorzugte Ausführungsform auch einen Generator zur Stromerzeugung, der so angeordnet ist, dass er mit dem erfindungsgemäßen Motor betrieben werden kann.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt. Die Figuren stellen bevorzugte Ausführungsformen skizzenhaft in Seitenansicht dar.
- 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit Fluidspeichern.
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit bevorzugten Pumpen.
- 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die besonders gut für Flüssigkeiten geeignet ist.
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1 zeigt skizzenhaft eine bevorzugte Ausführungsform der Fluiddruckpumpe mit einer Kurbelwelle 1, die mit vier Kurbeln versehen ist. Da die Seitenansicht verwendet wurde, sind zwei dieser Kurbeln perspektivisch nicht zu sehen (zweite von links und erste von rechts). Diese Kurbeln sehen genauso aus wie die beiden anderen, sind jedoch 90° zu diesen gedreht. Eine dieser Kurbeln würde aus der Papierebene herausragen und eine in die Papierebene hinein, wobei unerheblich ist, welche der beiden heraus und welche hinein ragt, da sich dies lediglich auf die Drehrichtung auswirken würde, was nicht erfindungswesentlich ist.
An die Kurbeln der Kurbelwelle 1 greifen vier Hubkolben an, die sich in Zylindern 2 auf- und abwärts bewegen, wobei der Übersicht halber nur einer der vier Zylinder 2 mit einem Referenzzeichen versehen ist.
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Hubkolben A ist in der Darstellung im untersten Zustand, Hubkolben B bewegt sich gerade aufwärts (Pfeilrichtung), Hubkolben C ist in der Darstellung im obersten Zustand, Hubkolben D bewegt sich gerade abwärts (Pfeilrichtung). Über jedem Zylinder 2 ist jeweils ein Druckspeicher 3 angeordnet, in den ein Fluid (vorzugsweise ein Gas) mittels der Pumpe 4 eingepumpt wird. Die Ventile 5 steuern oder regeln den Fluidfluss, wobei das Ventil 5 zwischen Pumpe 4 und Druckspeicher 3 ein Zurückströmen des Fluids in die Pumpe verhindert und das Ventil zwischen Druckspeicher und Zylinder 2 das Einlassregelventil des jeweiligen Zylinders ist.
In dem dargestellten Zustand wird sich als nächstes das Einlassregelventil zum Hubkolben C öffnen und dessen Zylinder mit Druck beaufschlagen, was Hubkolben C nach unten treiben wird. Das Fluid (sofern es gasförmig ist) sollte nach dem Heruntertreiben eines Hubkolbens aus dem betreffenden Zylinder 2 entweichen. Der Übersichtlichkeit halber ist der Fluidauslass nicht dargestellt. Betrachtet man Hubkolben A, aus dessen Zylinder 2 das Fluid in dem dargestellten Zustand entweichen sollte, so kann ein Fluidauslass einfach durch eine Öffnung in der Zylinderwand an der Oberkante des Hubkolbens realisiert werden.
Durch ein phasenversetztes Beaufschlagen der Zylinder A, B, C und D mit Druck wird sich der Motor drehen. Da die Zylinder bezüglich ihrer Drehung jeweils 90° zueinander verdreht sind, sollte die Phasenverschiebung der Pumpen jeweils 90° betragen (n/2).
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit bevorzugten Pumpen 4 mit einem Oszillatorelement 6. Ventil 5 ist das Einlassregelventil zu den Zylindern. Wenn ein Zylinder mit Druck beaufschlagt sein soll, wird einfach das betreffende Oszillatorelement angeschaltet und der lokale Druck am Auslass der Pumpe 4 wird durch das Ventil 5 in den Zylinder 4 abgeführt und treibt den jeweiligen Hubkolben hinunter (in der Zeichnung ist dies Hubkolben C).
Die Frequenz und Phasenverschiebung der Oszillatorelemente 6 kann jedoch auch so eingestellt sein, dass wenn eine Domäne hohen Drucks an dem Auslass der Pumpe 4 zu dem Hubkolben C herrscht, eine Unterdruckdomäne an dem Auslass der Pumpe 4 zu dem Hubkolben A herrscht (und dann jeweils zyklisch wechselnd, um den Motor zu betreiben). Die Oszillatorelemente 6 zum Betrieb der Hubkolben A bis D sollten also in diesem Fall in Reihenfolge A, B, C und D mit jeweils 90° Phasenverschiebung zum vorangehenden betrieben werden.
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Das Ventil 5 ist bei geeigneter Steuerung der Oszillatorelemente 6 nicht notwendig und kann fortgelassen werden, wie es die folgende Zeichnung zeigt.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die besonders gut für Flüssigkeiten geeignet ist. Im Unterschied zu 2 werden hier keine Ventile benötigt. Im Grunde agiert der Zylinder als Innenraum einer Pumpe 4. Die Oszillatorelemente 6 zum Betrieb der Hubkolben A bis D sind in Reihenfolge A, B, C und D mit jeweils 90° phasenverschoben, was durch die Form der dem Zylinder zugewandten Wandung skizziert wird.
Bezüglich Hubkolben C herrscht im Bereich des Hubkolbens C ein lokales Druckmaximum oder im Bereich des Zylinders 2 ein temporär hoher Druck, was den Hubkolben C nach unten treibt.
Bezüglich Hubkolben D fällt der Druck ab, der Kolben wird aber durch seine Trägheit und die Kurbelwelle 1, die sich bewegt, nach unten bewegt. Wenn Hubkolben D unten angekommen ist (was in der Abbildung Hubkolben A entspricht), muss das Fluid im Zylinder nicht entweichen, sondern kann wieder zur Pumpe 4 zurückstömen.
Bezüglich Hubkolben A herrscht im Bereich des Hubkolbens C ein lokales Druckminimum oder im Bereich des Zylinders 2 ein temporär niedriger Druck, was den Hubkolben A nach oben treibt. Wenn das Fluid nicht abgeflossen ist, strömt es nun zurück zum Oszillatorelement 6 hin.
Bezüglich Hubkolben B steigt der Druck nun wieder an, bis der Zustand von Hubkolben C erreicht ist.
Dieser Motor kann mit inkompressiblen Flüssigkeiten betrieben werden, da die Phasenverschiebung der Oszillatorelemente 6 direkt auf die Hubkolben wirken kann.
