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Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschine oder Druckluftmotor, mit einem Zylinder (5), einem darin angeordneten Kolben (1) mit Ein- und Auslassöffnungen (18, 19) und mindestens einem Ein- und Auslassventil (3), wobei das Ventil (3) im Kolben (1) integriert ist.
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Stand der Technik
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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kolben-Wärmekraftmaschinen und/oder Gasexpansionsmotoren. Bei bekannten Maschinen oder Motoren nach dem Stand der Technik sind aufwändige Steuerorgane für die Ventile oder Schieber notwendig. Die Ventilstellungsbereiche sind oft nicht optimal im Expansionsraum angeordnet. Falls die Ventile, wie eingangs genannt, im Kolben integriert sind, haben die Kolben in der Praxis oft hohe Gewichte.
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Aufgabe und Lösung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung: Es sollen im Vergleich zum Stand der Technik das Kolbengewicht erheblich geringer und das Auslassventil besonders langlebig sein. Hohe Auslassquerschnitte und eine Verbesserung der Strömung des entspannten Arbeitsmediums sollen erreicht werden. Schließlich soll die Herstellung besonders kostengünstig sein.
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Die hohen Auslassquerschnitte sollen eine starke Auslassströmung bewirken, durch die eventuell entstandene Kondensattröpfchen des Mediums auf dem Kolbenboden und an der Zylinderwand mitgerissen werden und nicht – wie im Stand der Technik – zu nachteiliger so genannter Abkühlung des Arbeitsmediums im Einlasstakt durch verbleibende Kondensattröpfchen führen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Wärmekraftmaschine oder einem Druckluftmotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Ventilsitz mindestens einen Permanentmagneten (9, 10) aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Die Erfindung wurde realisiert und getestet.
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Es kommen Leichtmetallwerkstoffe zum Einsatz, insbesondere Aluminiumlegierungen.
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Vorzugsweise befinden sich im Kolben Leerräume, um die Masse des Kolbens zu verringern. Durch das geringere Kolbengewicht kann der Kurbeltrieb leichter gestaltet werden.
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Infolge der Permanentmagnete ist es möglich, dass auf die Auslassventilplatte (3) nur geringe Auflagekräfte wirken und dadurch eine große Auflagefläche möglich ist. Die große Auflagefläche wiederum erlaubt große Auslassöffnungen, also große Querschnittsflächen der Auslassbohrungen im Kolbenboden und im unteren Kolbenbereich.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung der Ventilsteuerung in einer erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine,
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2 eine schematische Darstellung des Einlass- und Auslassventils der Maschine nach 1,
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3 eine schematische Darstellung des Kolbenbodens,
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4 eine schematische Darstellung der Kolbenunterseite,
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5 ein Steuerzeitendiagramm,
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6 ein Druck/Weg-Diagramm des Expansionsraumes 21,
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7 ein Schema und
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8 ein Schema.
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Die diese Aufgabe lösende Ventilsteuerung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kolben eine Auslassventilplatte vorgesehen ist, welche über Permanentmagnete in ihren Ausgangsstellungen gehalten wird. Dabei bewegt sich ein Kolben in einem Zylinder bedingt durch die Drehbewegung eines Kurbeltriebs bis zu seinen Endlagen, dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt. Eine Auslassventilplatte wird abwechselnd von einem Einlassventil sowie einem Auslösestift durch Aufschlag betätigt. Dadurch wird ein Verschließen der Auslassbohrungen durch die Auslassventilplatte erreicht. So entsteht bei einer Kolbenbewegung in Richtung des unteren Totpunktes ein abgeschlossener Expansionsraum, wodurch Arbeit an den Kurbeltrieb abgegeben wird und bei einer Kolbenbewegung in Richtung des oberen Totpunktes ein Druckausgleich zwischen Expansionsraum und Auslassraum stattfindet.
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Eine in 1 dargestellte Kurbelwelle 15 wird mit Hilfe einer Anlassvorrichtung (nicht dargestellt) in Drehbewegung versetzt. Ein Pleuel 12 sowie Schubstange 4 und Kolben 1 sind mit einer Kurbelwelle 15 verbunden.
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Der Kolben 1 bewegt sich in einem Zylinder 5. Der Kolbenweg ist durch einen oberen Totpunkt 23 und einen unteren Totpunkt 24 begrenzt. Zwischen Zylinderkopf 2 und Kolben 1 befindet sich ein Expansionsraum 21, wobei sich zwischen Motorblock 16 und Kolben 1 ein Auslassraum 22 befindet.
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Im Kolben sind temperaturbeständige Permanentmagnete 9 und 10 verbaut, welche ihre Magnetkraft auf eine Auslassventilplatte 3 ausüben. Zwischen den Permanentmagneten 9 und 10 befindet sich ein Leerraum 17, in dem eine Auslassventilplatte 3 abwechselnd zwischen den Permanentmagneten 9 und 10 (bedingt durch die Potentialkraft) wechselt.
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In der fortlaufenden Bewegung des Kolbens 1 in Richtung Zylinderkopf 2 betätigt ein Einlassventil 6 vor Erreichen des oberen Totpunktes 23 die Auslassventilplatte 3, welche sich im Kolben 1 befindet. Dies geschieht durch Federkraft der Feder 7 sowie ein unter erhöhtem Druck stehendes Medium, welches über einen Kanal 14 zugeführt wird und mit Gasdruck auf das Einlassventil 6 einwirkt.
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Das Auslassventil 3 bewegt sich in Richtung der Permanentmagnete 10, verschließt die Auslassbohrungen 18 und befindet sich nun in seiner Endlage in Richtung der Kolbenunterseite. Das Auslassventil 3 betätigt im weiteren Verlauf das Einlassventil 6, wodurch ein Arbeitsmedium in den Expansionsraum einströmt.
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Im weiteren Verlauf des Kolbens 1 in Richtung des oberen Totpunktes 23 strömt das Arbeitsmedium in den Leerraum 17 des Kolbens 1 sowie in den Expansionsraum 21 ein. Am oberen Totpunkt 23 ist das Einlassventil vollständig geöffnet. Der Kolben 1 bewegt sich in Richtung des unteren Totpunktes 24 und das Arbeitsmedium strömt bis zur Schließung des Einlassventils 6 ein. Wertvolle Expansionsarbeit wird an den Kurbeltrieb abgegeben.
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Kurz vor Erreichen des unteren Totpunktes 24 betätigen Auslösestifte 11 die Auslassventilplatte 3 und bewegen diese bis zu ihrer Endlage an den Permanentmagneten 9, wo sie durch Magnetkraft gehalten wird. Die Auslassbohrungen 18 werden dadurch geöffnet und gleichen so das Druckgefälle zwischen dem Expansionsraum 21 und dem Auslassraum 22 aus.
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Im weiteren Verlauf bewegt sich der Kolben in Richtung des oberen Totpunktes 23, wobei das entspannte Arbeitsmedium nahezu vollständig aus dem Expansionsraum 21 in den Auslassraum 22 strömt. Vorteilhaft für die vollständige Entleerung des Expansionsraumes 21 ist die sehr hohe Querschnittsfläche der Auslassbohrungen 18 und der Kolbenkanäle 19, welche am äußeren Kolbenboden des Kolbens 1 platziert sind. Hierdurch werden Kolbenschläge durch hohe Kondensat-Massen im Kaltstart vermieden und Kondensat-Tröpfchen auf dem Kolbenboden und an der Zylinderwand durch die Strömung des Arbeitsmediums mitgerissen. Im weiteren Verlauf des Kolbens 1 in Richtung des oberen Totpunktes 23 wiederholt sich der Vorgang.
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Ein in 2 dargestelltes Einlassventil 6 verschiebt eine Auslassventilplatte 3 durch Kontakt. Die dadurch hervorgerufene Abstandsvergrößerung der Auslassventilplatte 3 gegenüber den Permanentmagneten 9 bewirkt eine Abstandsverkleinerung gegenüber den Permanentmagneten 10 und somit zu einer Potentialverschiebung der Magnetkraft, welche auf die Auslassventilplatte 3 einwirkt. Die Auslassventilplatte 3 haftet, bedingt durch die Magnetkraft der Magnete 10, am Kolben und verschließt somit die Auslassbohrungen 18.
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Die Einlassströmung 25 verläuft im Kolben sowie über dem Kolbenboden 26 und ist in der Ansicht mit Pfeilen gekennzeichnet. Hierbei wird eine gleichmäßige Verteilung des Arbeitsmediums im Expansionsraum 21 sichergestellt, sowie eine Vermischung von Kondensatablagerungen im Leerraum 17 mit dem zugeführten Arbeitsmedium ist gegeben.
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Die Auslassventilplatte kann aus Kunststoffen mit einem Eisenkern bestehen.
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Durch die zylinderwandnahe Anordnung der Kolbenkanäle 19 ist eine verbesserte Entleerung des Expansionsraum gewährleistet.
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Die Führung der Auslassventilplatte erfolgt in der Schubstange wie in 1. Die Auslassventilplatte muss keine Schubstangenführung haben, sondern kann auch als Platte ausgeführt sein. Sie wird dann außen am inneren Rand des Leerraum geführt oder mit Führungsstiften, welche zwischen Kolbenunterseite und Kolbenboden befestigt sind.
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Die Auslassbohrungen 18 und die Kolbenkanäle 19 können auch als Ringkanal ausgeführt sein, um die Auslassquerschnitte weiter zu erhöhen.
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Der Betätigungspunkt der Auslösestifte 11 ist mit 27 gekennzeichnet. Durch Betätigung der Auslassventilplatte 3 über Auslösestift 11 erfolgt eine Potentialverschiebung der Magnetkraft, welche auf die Auslassventilplatte 3 einwirkt und somit ein Anhaften der Auslassventilplatte 3 an den Permanentmagneten 9 und ein Öffnen der Auslassbohrungen 18 bewirkt.
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Bei geöffneten Auslassbohrungen verläuft die Auslassströmung 28, wie in 2 ersichtlich, über die Kolbenbodenbohrungen 19, den Leerraum 17 sowie den Auslassbohrungen 18.
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In 3 ist der Kolbenboden 26 dargestellt, in dem sich die Kolbenkanäle 19 sowie die Betätigungsbohrung 20 des Einlassventils 6 befinden. Bedingt durch eine hohe Querschnittsfläche der möglichen Kanäle wird ein geringer Durchflusswiderstand zum Auslassraum 22 gewährleistet.
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Die in 4 gezeigten Auslassbohrungen 18 dienen zugleich als Betätigungsbohrung für die Auslösestifte 11. Bedingt durch die hohe Querschnittsfläche wird ein geringer Durchflusswiderstand erreicht.
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Wie in 5 ersichtlich, ergeben sich drei Phasen bei einer Kurbelwellenumdrehung:
- • eine Einlassphase 30, die 25° vor dem oberen Totpunkt 23 beginnt und 25° nach dem oberen Totpunkt 23 endet,
- • eine Expansionsphase 31, die 25° nach dem oberen Totpunkt 23 beginnt und 10° vor dem unteren Totpunkt 24 endet
- • sowie eine Auslassphase 32, die 10° vor dem unteren Totpunkt 24 beginnt und 25° vor dem oberen Totpunkt 23 endet.
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Die Phasenpunkte werden auf die jeweiligen Arbeitsmittelparameter angepasst, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
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Wie in 6 ersichtlich, beginnt kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes 23 ein steiler Druckanstieg im Expansionsraum 21. Dieser erhöht sich bis zu seinem Höchstdruck 34. Im weiteren Verlauf bis zum unteren Totpunkt 24 schwächt der Druck sich, bedingt durch Expansionsarbeit, ab.
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Kurz vor dem unteren Totpunkt 24 bis kurz vor dem oberen Totpunkt 23 liegt bedingt durch die verbesserte Auslassströmung 28 ein sehr geringer Druck 33 im Expansionsraum 21 vor. Dies verhindert eine Kompression des entspannten Arbeitsmediums, und sorgt zugleich für einen sehr geringen Arbeitsaufwand, um das entspannte Arbeitsmedium aus dem Expansionsraum 21 zu befördern.
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Erfindungsgemäß werden die folgenden weiteren Vorteile erreicht. Die Drehrichtung der Kurbelwelle ist ohne Einschränkung reversibel, also ein Link- und Rechtslauf ist problemlos möglich. Die Wärmekraftmaschine ist auch als Gasexpansionsmotor, zum Beispiel als Druckluftmotor verwendbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Maschine als ORC-Anlage zu verwenden, wobei ORC für Organic Rankine Cycle steht. Diese Anlage kann zur Abwärmeverstromung eingesetzt werden. Je nach dem Arbeitsmittel ist die Korrosions- und Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Permanentmagnete zu prüfen und auszulegen. Als Arbeitsmedien können Kältemittel, Ethanol, Wasser, Druckluft sowie verschiedene andere Gase verwendet werden.
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7 zeigt eine Auslassventilplatte 3.1, welche über Druckstifte verfügt und über den Betätigungspunkt 35 geöffnet wird. Die Druckstifte der Auslassventilplatte 3.1 werden in den Auslassbohrungen 18 geführt. Die verbleibenden Bohrungen dienen weiterhin als Auslassbohrungen.
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8 zeigt eine Auslassventilplatte 3.2, welche über Druckstifte verfügt und über den Betätigungspunkt 35 geöffnet wird sowie über den Betätigungspunkt 36 durch Aufschlag mit dem Zylinderkopf verschlossen wird. Der Betätigungspunkt für das Einlassventil 6 liegt dann auf dem Kolbenboden 26.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Auslassventilplatte
- 4
- Schubstange
- 5
- Zylinder
- 6
- Einlassventil
- 7
- Feder
- 8
- Einlassventilführung
- 9
- Permanentmagnet kolbenbodenseitig
- 10
- Permanentmagnet Kolbenunterseite
- 11
- Auslösestift
- 12
- Pleuel
- 13
- Auslasskanal Arbeitsmedium
- 14
- Einlasskanal Arbeitsmedium
- 15
- Kurbelwelle
- 16
- Kurbelgehäuse
- 17
- Leerraum zwischen Kolbenboden und Kolbenunterseite
- 18
- Auslassbohrungen
- 19
- Kolbenkanäle
- 20
- Betätigungsbohrung Einlassventil
- 21
- Expansionsraum
- 22
- Auslassraum
- 23
- Oberer Totpunkt (OT)
- 24
- Unterer Totpunkt (UT)
- 25
- Einlassströmung
- 26
- Kolbenboden
- 27
- Betätigungspunkt der Auslassventilplatte
- 28
- Auslassströmung
- 29
- Kolbenunterseite
- 30
- Einströmphase des Arbeitsmediums
- 31
- Expansionsphase des Arbeitsmediums
- 32
- Auslassphase des Arbeitsmediums
- 33
- Geringster Arbeitsmedium-Druck im Expansionsraum
- 34
- Höchster Arbeitsmedium-Druck im Expansionsraum
- 3.1
- Auslassventilplatte mit Öffnungstiften
- 3.2
- Auslassventilplatte mit Öffnungs- und Verschlussstiften
- 35
- Betätigungspunkt der Ventilplatte Öffnung
- 36
- Betätigungspunkt der Ventilplatte Schließen
