DE2045759B2 - Hubkolben-Wärmekraftmaschine zur Erzeugung hydraulischer Energie - Google Patents

Description

Bei diesen Wärmekraftmaschinen ist aber der über den Drehschieber in den Zylinderraum der Steuerungsaufwand für einen störungsfreien Betrieb Pumpenkolben führt. Dadurch ist der Druckunterbei plötzlichem Lastwechsel so groß, daß auch sie schied in der Druckflüssigkeit vor und hinter dem gegenüber dem konventionellen Hydraulikaggregat, Verdränger sehr gering und nur durch die Reibungsbestehend aus Kurbelwellen-Motor und Hydraulik- s Verluste im Verdränger und Drehschieber hervorgepumpe, sowohl hinsichtlich des Gewichts als auch rufen,
hinsichtlich des Preises nicht bestehen können. Die Dichtungsprobleme im Verdränger sind daher

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, leicht beherrschbar.

bei der Wärmekraftmaschine ohne Abtriebswelle, so- In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der

wohl die schweren mechanischen Synchronisierungs- io Verdränger ein Zellenverdränger mit axialer ZeI-einrichtungen zu umgehen als auch auf die kompli- lenschieberbewegung im umlaufenden Rotor, der kozierten Steuerungseinrichtungen der Wärmekraftma- axial um den Pumpenzylinder der Wärmekraftmaschine mit Flugkolben zu verzichten und die funk- schine angeordnet ist, die die Kraftmaschinenzylinder tionstechnischen Möglichkeiten der unmittelbaren in Tandemanordnung an den Außenseiten der Wär-Energieübertragung auf eine Druckflüssigkeit, wie 15 mekraftmaschine trägt und bei der in der Mitte auf Druck- und Mengenregelung im Erzeugerteil, Druck- der gemeinsamen Kolbenstange der Tandem-Stufenspitzenabbau und Glättung des Förderstromes, Mas- kolben für den Arbeitskreislauf und den Steuerkreissen- und Momentausgleich, Steuerzeit- und Verdich- lauf angeordnet ist.

tungsveränderungen bei hohen Mittelnutzdrücken Dabei ist der sich drehende hohle Rotor des Ver-

und hohen Arbeitsfrequenzen voll auszunutzen. 20 drängers sowohl Zylinderlauffläche für den Pum-

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung pen-Stufenkolben als auch Rohrdrehschieber zur mehrere Maßnahmen und die Verwendung an sich Steuerung des Arbeits- und Steuerkreislaufes der bekannter Bauelemente in neuartiger Anordnung Druckflüssigkeit,
vor. Außerdem trägt dieser Rotor des Zellenverdrän-

Die Erfindung besteht darin, daß die Steuerungs- 25 gers an seinem Außendurchmesser in einer abgeeinrichtung aus einem als Zuteiler wirkenden Ver- trennten und abgedichteten Zone eine Verzahnung, dränger für Druckflüssigkeit besteht, dessen Dn-ck- die direkt oder über ein Zahnrad in die Verzahnung flüssigkeit unmittelbar mit dem Pumpenkolben zu- der benachbarten Zylindereinheit eingreift,
sammenwirkt und funktionsmäßig vom Strom der die Je nach Bauform und Zylinderzahl sind die Zähhydraulische Nutzleistung übertragenden Druckflüs- 3° nezahlen so auf die gewünschte Phasenverschiebung sigkeit unabhängig ist. der Zylindereinheiten untereinander abgestimmt, daß

Dabei ist der Verdränger als Hubkolbenmaschine voller Massenausgleich oder pilsationsarme Fördeoder als Rotationskolbenmaschine, im speziellen Fall rung erreicht wird.

als Flügelzellen verdränger ausgebildet. Das Um- Von dem verzahnten Rotor, dem Zahnrad lassen

steuerorgan für die Druckflüssigkeit besteht aus 35 sich die Nebenabtriebe, die zum Betrieb der Wärmeeinem Ventilblock oder aus einem vom Verdränger kraftmaschine nötig sind, wie bekannt, antreiben,
angetriebenen Drehschieber. Bei einem Ausführungsbeispiel in Trommelbau-

Der Verdränger ist in seinem Schluckvolumen so form kann eine zentral liegende Zylindereinheit nur auf das Hubvolumen der Pumpenkolben abgestimmt, einen, für alle Zylinder gemeinsamen Verdränger daß unter Berücksichtigung der Leckverluste bei 40 und ein Zuteilorgaa tragen, wodurch Bauaufwand, einer vollen Umdrehung oder bei einer ganzzahligen Gewicht und Herstellkosten merklich gesenkt wer-Teilumdrehung des Verdrängers einen vollen Hub den.

oder auch einen Doppelhub ausführen, wobei das Wie bekannt, kann dem Drehschieber eine Um-

Umsteuerorgan für die funktionsgerechte Umschal- steuereinrichtung nachgeschaltet werden, so daß eine tung der Zulauf- und Rücklaufleitungen für die 45 Drehrichtungsumkehr der angetriebenen Hydraulik-Druckflüssigkeit in den Umkehrpunkten der Hubbe- motoren erreicht wird,
wegung sorgt. Wird ein Verdränger mit steuerbarem Verdränger-

Dieser Steuerkreislauf der Druckflüssigkeit ist bei volumen verwendet, so kann damit eine Veränderung einem Ausführungsbeispiel vom Arbeitskreislauf der des Hubes während des Betriebes der Wärmekraft-Druckflüssigkeit zum Verbraucher völlig getrennt 5° maschine vorgenommen werden,
und zum Beispiel in die Verbindungsleitung zwischen Wird zusätzlich eine Verstelleinrichtung zwischen

zwei mit 180^J Phasenverschiebung arbeitenden dem Verdränger und dem Umsteuerorgan, z.B. Hubkolben eingeschaltet. durch Differentialverzahnung oder Differentialge-

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der winde geschaffen, so kann damit eine Fördermengen-Verdränger und das Umsteuerorgan in den Rück- 55 veränderung erreicht werden, ohne daß sich die Arflußstrom vom Verbraucher zur Maschine einge- beitsfrequenz der Wärmekraftmaschine ändert. Beschaltet, der unter einem angehobenen Ansaugdruck sonders günstig ist die Verwendung eines Heißgassteht und dadurch den Verdränger und das Um- motors als antreibende Wärmekraftmaschine, da steuerorgan antreibt. Ein eigener Steuerkreislauf einmal beim Betrieb des Heißgasmotors keine starwird hierbei nicht benötigt. Dabei ist durch die kon- 60 ken Druckänderungen auftreten, zum anderen eine struktive Ausbildung des Umsteuerorgans als Dreh- diskontinuierliche Bewegungsvorgabe der Hubkolben schieber dafür gesorgt, daß die unter hohem Druck durch den Verdränger möglich ist.
stehende Druckflüssigkeit der zum Verbraucher füh- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der

renden Druckleitung vom Zylinderraum unter dem Zeichnung dargestellt und werden im folgenden nä-Pumpenkolben auf kürzestem Weg und ohne Umlen- 65 her beschrieben. Es zeigt

kungen den Drehschieber durchströmt, während die F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Hubkol-

vom Verbraucher kommende Rückleitung über den ben-Wärmekraft-Maschine nach der Erfindung mit Drehschieber zum Verdränger und von dort wieder zwei parallelen Zylindern und U-förmiger Ausbil-

dung des hydraulischen Gestänges und einen, in die Kolbenstange 4 α und 4 b mit den Pumpenkolben 5 a

Verbindungsleitung eingeschalteten Kapselverdrän- und 5 b verbunden sind und der mittlere Teil 4 c der

ger, Kolbenstange 4 α und 4 b als Stufenkolben dient. Das

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Hubkol- Tandemkolbenpaar bewegt sich in der gezeigten Dar-

ben-Wärmekraftmaschine nach der Erfindung in 5 stellung im Pumpengehäuse 6 von rechts nach links, Tandembauart mit einem in die Verbindungsleitung in dem Kraftmaschinen-Zylindeiraum 20 ft vollzieht

eingeschalteten Kapselverdränger, sich ein Arbeitstakt und in dem Zylinderraum 20 a

F i g. 3 a und 3 b Querschnitte durch den Hydrau- ein Kompressions- oder Ausschubtakt, so daß im Zy-

likteil einer Tandem-Maschine mit einem gemeinsa- linderraum 10 die Druckflüssigkeit unter hohem

men Arbeits- und Steuerkreislauf der Druckflüssig- m Druck steht und durch den Drehschieberteil 8 a in

keit, bei dem ein Hubverdränger in den Rückfluß der die Druckleitung 14 α und 14 b gelangt, während die

Druckflüssigkeit eingeschlossen ist, unter Ansaugdruck stehende, rückströmende Druck-

F i g. 4 einen Querschnitt durch eine Tandemzylin- flüssigkeit von der Saugleitung 13 α und 13 ft durch

dereinheit eines Trommelmotors mit koaxialem ZeI- den Drehschieberteil 8 ft hindurch in den Zylinder-

lenverdränger, dessen Rotor zugleich Drehschieber 15 raum 11 unter dem Pumpenzylinder 5 ft gelangt,

für beide Kreisläufe der Druckflüssigkeit ist. Der Steuerkreislauf besteht aus den Zylinderräu-

Nach der F i g. 1 bewegen sich in den parallel an- men 16 und 17 des Stufenkolbens (Teile Sa, 4 c und geordneten Kraftmaschinenzylindern 1 α und 1 f·, die 5 ft), den verbindenden kurzen Kanälen und den zwei durch die Kraftmaschinen-Zylinderköpfe 2 α und 2 ft Verdrängerräumen des Kapselverdrängers, dessen verschlossen sind und die Ventile 22 α und 22 ft tra- ao Welle 28 α auch gleichzeitig die Welle 28 ft der Drehgen, die Kraftmaschinenkolben 3 α und 3 ft der War- schieber ist. Die Kraftmaschine ist durch Ventile 22 a mekraftmaschine, die über die Kolbenstangen 4 a und 22 ft gesteuert, wobei die Zylinderräume 21a und 4 ft mit dem Pumpenkolben 5 α und 5 ft fest ver- und 21 ft unterhalb der Kraftmaschinenkolben 3 a bunden sind, um 180° phasenverschoben auf und und 3 ft ebenfalls als Arbeitsräume dienen können, ab. »5 oder bei Brennkraftmaschinen zur Förderung der

Die Kolbeneinheit mit dem Index« führt in der Ladeluft einsetzbar sind.

Darstellung einen Arbeitshub, die Kolbeneinheit mit Nach F i g. 3 a bewegt sich der Tandemkolben, be-

dem Index ft einen Verdichtungshub aus. stehend aus den Kraftmaschinenkolben 3 α und 3 ft,

Dabei wird die unter dem Pumpenkolben 5 α zu- den Kolbenstangen 4 α und 4 ft und dem Pumpenkolvor angesaugte Druckflüssigkeit aus dem als Druck- 30 ben 5, der doppelseitig wirkt, von links nach rechts, raum wirkenden Zylinderraum 10 unter hohem Dabei wird die Druckflüssigkeit aus dem Zylinder-Druck durch den im Drehschiebergehäuse 9 gelager- raum 10 über einen Kanal durch den Drehschieber 8 ten Drehschieber 8 hindurch in die zum Verbraucher hindurch in die Druckleitung 14 gefördert,
führende Druckleitung 12 gefördert. Gleichzeitig Die unter Ansaugdruck stehende, rückfließende strömt durch die Saugleitung 13 die zurückfließende 35 Druckflüssigkeit gelangt von der Saugleitung 15 Druckflüssigkeit wieder durch den Drehschieber 8, durch den Drehschieber 8 hindurch in den Zylinderdiesmal in den als Saugraum wirkenden Zylinder- raum 16 des Verdrängers, der hier als Hubkolbenraum 11 unter den sich nach oben bewegenden Pum- maschine ausgebildet ist und aus dem Kolben 33, der penkolben 5 b. Der Zylinderraum 17 an der Rück- Welle 28 a, die gleichzeitig Welle 28 ft des Drehschieseite des Pumpenkolbens 5 α ist über einen Kanal mit 40 bers ist und einem Exzentertrieb 7 besteht,
der sich während den folgenden 180° Drehwinkel Aus dem Zylinderraum 17 des Verdrängers geverkleinernden Verdrängerkammer verbunden, der langt die rückfließende Druckflüssigkeit über Ausrückseitige Zylinderraum 16 des Pumpenkolbens 5 ft nehmungen des Drehschiebers 8 und einen Kanal in über einen weiteren Kanal mit dem sich vergrößern- das sich vergrößernde Hubvolumen des Zylinderrauden Volumen der Verdrängerkammer, die im gezeig- 45 mes 11.

ten Beispiel von einem Kapselverdränger gebildet In F i g. 3 b ist der Tandemkolben bei seiner Bewe-

wird, dessen Welle 28 a gleichzeitig auch die Welle gung von rechts nach links dargestellt. Der Dreh-

28 b für den Drehschieber 8 ist. Der Verdrängerex- schieber 8 hat sich gegenüber der Abbildung nach

zenter des Kapselverdrängers ist mit 29 und dessen Fig.3a um 180° weiter gedreht, so daß nun dei

Sperrschieber sind mit 31 bezeichnet. 50 Zylinderraum 10 direkt mit der Druckleitung 14, die

Das Verdrängervolumen des Kapselverdrängers Saugleitung 15 mit dem linken Zylinderraum 16 des

entspricht dabei dem vollen Hubvolumen der Pum- Verteilers und der rechte Zylinderraum 17 mit derr

penkolben 5, so daß eine 360° Umdrehung des Ver- Zylinderraum 11 verbunden ist.

drängers einem Hin- und Rückhub der Kolbeneinhei- Somit wandert die Druckflüssigkeit jeweils in dre

ten gleichkommt, wobei die Druckflüssigkeit in der 55 180°-Phasen durch den Hydraulikteil der Hubkol

Verbindung zwischen den beiden Verdrängerkam- ben-Wärmekraftmaschine. In der ersten Phase ge

mern und den beiden Hubräumen auf der Rückseite langt sie von der Saugleitung 15 in den Zylinderraun

der Pumpenkolben 5 α und 5 ft hin und her pendelt. 16, in der zweiten Phase vom Zylinderraum 16 ii

Mit der Welle 28 a des Kapselverdrängers ist noch den Zylinderraum 11 der Pumpe, in der dritte;

die Welle 28 c der Stcuerorgane, nämlich des Einlaß- 60 Phase vom Zylinderraum U der Pumpe in di<

Schiebers 23 und des Auslaßschiebers 24 für die Druckleitung 14, womit über den Verbraucher de

Wärmekraftmaschine verbunden. Kreislauf zur Saugleitung 15 geschlossen ist.

In der Fig.2 sind die Bauteile der Wärmekraft- Fig.4 zeigt einen Querschnitt durch eine Tan

maschine ebenso wie die Kraftmaschinenzylinder mit demzylindereinheit einer Wärmekraftmaschine ii

1 α und 1 ft, die Kraftmaschinen-Zylinderköpfe mit 6₅ Trommelbauform mit getrenntem Arbeits- und Steu

2 α und 2 ft und die Kraftmaschinenkolben mit 3 α erkreislauf, bei der ein Zellenverdränger koaxial ur und 3 b bezeichnet, wobei aber die Kolben 3 α und die Pumpe angeordnet ist und der Rotor des Ver

3 ft in Tandemanordnung mit einer durchgehenden drängers gleichzeitig Drehschieber und Zylinderlauf

buchse ist. Die Bezeichnung der Einzeheile für die Wärmekraftmaschine und die Pumpe ist mit den der F i g. 1 bis 3 a und 3 b gleich.

Jedoch ist der Rotor des ringförmigen, koaxialen Zellenvcrdrängers an seinem Außendurchmesser mit einer Verzahnung 18 versehen, die in ein Zahnrad 19 eingreift, das über die Welle 28 mit dem Einlaßdrehschieber 23 und dem Auslaßdrehschieber 24 der Wärmekraftmaschine in Drehverbindung steht und gleichzeitig über Zwischengetriebe 26 α und 26 b die Nebenantriebe 25 a, 25 b und 27 a, 27 b antreibt.

In der gezeigten Darstellung ist der Zellenverdränger mit in dem Rotor axial beweglichen Sperrschiebern 31 a, 31 b ausgebildet, die an den kurvenförmigen, seitlichen Begrenzungswänden 32 a und 32 b entlanggleiten, so daß die verdrängte oder ange-

saugte Druckflüssigkeit über Drehschieberbohrungen 30 a und 30 b in die Zylinderräume des Stufenkolbens (Teile 5 a, 5 b, 5 c) gelangt. Die kurzen Kanalwege im Drehschieber 8 vermindern die Strömungs-Verluste, die überlagerte rotierende und oszylierende Bewegung im Rotor senkt die Reibungsverluste, die Abdichtung ist nur am Außendurchmesser des Rotors erforderlich, so daß günstige Voraussetzungen für rationelle Fertigung und störungsfreien Betrieb

ίο gegeben sind.

Dabei ist das in F i g. 3 a und 3 b gezeigte Verfahren mit gemeinsamem Arbeits- und Steuerkreislauf auch auf die konstruktive Gestaltung der in F i g. 4 gezeigten Ausführung übertragbar und schafft so die Voraussetzungen für eine Wärmekraftmaschine hoher Leistung und guten Wirkungsgrades.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

einem der Ansprüche 1 bis δ, dadurch gekenn- Patentansprüche: zeichnet, daß mehrere Kraftmaschinenzylinder (1 a, 1 b) eine gemeinsame Steuereinrichtung auf-

1. Hubkolben-Wärmekraftmaschine ohne Ab- weisen,
triebswelle zur Erzeugung hydraulischer Energie, 5

vorzugsweise zum Antrieb von Hydraulikmoto-

ren, bei der die den Kraftmaschinenkolben beaufschlagenden Gas- oder Dampfkräfte über einen

mit letzteren verbundenen, doppeltwirkenden Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine

Pumpenkolben auf Druckflüssigkeit einwirken, io Hubkolben-Wärmekraftmaschine ohne Abtriebswelle mit einer die Hubbewegung der Kraftmaschinen- zur Erzeugung hydraulischer Energie mit hohem kolben vorgebenden Steuereinrichtung, da- Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte, bei der die durch gekennzeichnet, daß die Steuer- den Kraftmaschinenkolben beaufschlagenden Gaseinrichtung aus einem als Zuteiler wirkendem oder Dampfkräfte über einen mit letzteren verbunde-Verdränger für Druckflüssigkeit besteht, dessen 15 nen, doppeltwirkenden Pumpenkolben auf Druck-Druckflüssigkeit unmittelbar mit den Pumpenkol- flüssigkeit einwirken, mit einer die Hubbewegung der ben (5, 5 a, 5 b) zusammenwirkt und funktions- Kraftmaschinenkolben vorgebenden Steuereinrichmäßig vom Strom der die hydraulische Nutzlei- tung.

stung übertragenden Druckflüssigkeit unabhängig Dabei soll mit geringem Steuerungsaufwand der

ist. 20 für einen optimalen Betrieb erforderliche Bewe-

2. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach An- gungsabiauf der Hubkolben auch bei schwankender Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabgabe sichergestellt sein. Dabei kann die Druckflüssigkeitsstrom des Verdrängers vom Wärmekraftmaschine eine Dampfmaschine, eine Strom der die Nutzleistung übertragenden Druck- Heißgasmaschine, oder eine nach dem Otto- oder flüssigkeit getrennt ist. 25 Dieselverfahren wirkende Hubkolben-Verbrennungs-

3. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach An- kraftmaschine sein. Die erzeugte hydraulische Enerspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gie kann zum Antrieb von vornehmlich Hydraulik-Druckflüssigkeitsstrom des Verdrängers vom motoren oder aber zur Betätigung von Arbeitszylin-Strom der die Nutzleistung übertragenden Druck- dem und anderen, hydraulisch betriebenen Geräten flüssigkeit abgezweigt ist, wobei im letzteren ein 30 dienen.

mit dem Verdränger mechanisch verbundenes Der Vorteil solcher bisher bekanntgewordener

Umsteuerorgan angeordnet ist, welches den Ver- Wärmekraftmaschinen liegt darin, daß bei der un-

dränger entsprechend der Hubbewegung jeweils mittelbaren Energieübertragung der Verbrennungs-

mit dem im Rücklauf befindlichen, druckentlaste- energie auf die Druckflüssigkeit vielgliedrige Bauteile

ten Druckflüssigkeitsstrom verbindet. 35 und leistungsverzehrende Umlenkungen vermieden

4. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach werden. Solche Wärmekraftmaschinen müßten also einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- mit gutem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte zeichnet, daß zwei Kraftmaschinenkolben (3 α, arbeiten. Da aber der Arbeitsprozeß des Otto- und 3 b) zusammen mit mindestens einem Pumpen- Dieselmotors oder der Arbeitsprozeß der Dampfmakolben (5, 5 a, 5 b, 5 c) eine Tandemeinheit bil- 40 schine und des Heißgasmotors an einen bestimmten den. Arbeitszyklus gebunden ist, ergibt sich auch bei der

5. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach Wärmekraftmaschine ohne Abtriebswelle die Noteinem der Ansprüche 1 bi« 4, dadurch gekenn- wendigkeit, Einrichtungen vorzusehet., die den erforzeichnet, daß der Verdränger eine Rotationskol- derlichen Bewegungsablauf der Hubkolben vorgebenmaschine ist. 45 ben.

6. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach An- Die bekannten Maschinen dieser Art bedienen sich spruchS, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver- daher noch eines zusätzlichen Kurbeltriebes (dänidränger so ausgebildet ist, daß bei einer Umdre- sehe Patentschrift 79219), einer Kurvenscheibe hung des Verdrängers die Hubkolben mindestens (deutsches Gebrauchsmuster 1 705 488), einer Tauzwei Doppelhübe ausführen. 50 melschei.be oder anderer mechanischer Vorrichtun-

7. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach An- gen, die einen mehr oder weniger sinusförmigen Versprach 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der lauf der Hubkolbenbewegung vorgeben.
Verdränger den Pumpenkolben koaxial um- Diese mechanischen Vorrichtungen für den Beweschließt und daß der Potor des Verdrängers zu- gungszwang bauen aber recht groß, da in den gegleich als Drehschieber (8) für die Druckflüssig- 55 nannten Wärmekraftmaschinen die Energieabgabe keit ausgebildet ist. nicht gleichmäßig erfolgt, die Verbraucher der hy-

8. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach draulischen Energie aber pulsationsarme und druck·- einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn- schwankungsfrei Energiezufuhr benötigen und somit zeichnet, daß der Antrieb der Steuereinrichtung Energiespeicher notwendig werden.

für die Wärmekraftmaschine vom Verdränger ab- 60 Daher wurden Ausführungen vorgeschlagen, die genommen wird. Wärmekraftmaschinen ohne Bewegungszwang und

9. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach Totpunktfestlegung der Hubkolben betreffen, wie einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- z. B. einen einfachwirkenden Freikolbenmotor nach zeichnet, daß mehrere Kraftmaschinenzylinder der USA.-Patentschrift 3 132 593, ein doppelwirken-(1 a, 1 b) mit ihren jeweiligen Steuereinrichtungen 65 der Freikolbenmotor nach der britischen Patentüber Verzahnungen untereinander verbunden schrift 1 132975 und ein Freikolbenmotor in Tandemsind, anordnung mit wegabhängiger Steuerung der Hub-

10. Hubkolben-Wärmekraftmaschine nach kolben nach der britischen Patentschrift 1106 141.