DE3929605A1 - Kolbenmaschine zum transport von gas - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine zum Transport von Gas nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ist insbesondere für Systeme anwendbar, bei denen die Kolbenmaschine in einem geschlossenen Kreislauf mit den Gasbehältern hohen Drücken ausgesetzt ist, wie bei der Niveau- und Neigungsregelung für ein Fahrzeug nach der Patentschrift DE 36 04 068, wo beispielsweise bei Gera­ deausfahrt die Drücke in beiden Behältern 100 bar und bei Kurvenfahrt in dem einen Gasbehälter 50 bar und in dem anderen Gasbehälter 150 bar betragen können.

In derartigen Fällen besteht die Aufgabe, die Kolbenmaschine so zu gestalten, daß im Bereich des Arbeitskolbens keine Gasverluste durch Undichtheit auftreten, die das System als Substanzverlust empfindlich stören würden.

Diese Aufgabe ist durch eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. So ist der Arbeitskolben frei von Seitenkräften, lediglich auf der einen Seite vom Gasdruck, auf der anderen Seite vom Öldruck der Ölsäule belastet und kann als einfache mit einem Dichtring versehene Scheibe oder auch als am Umfang dicht eingespannte Membran ausgebildet werden. In beiden Fällen ist mit einfachen Mitteln Dichtheit erreichbar. Gasdruck und Öldruck sind nahezu einander gleich. Ein geringer Druckunterschied überwindet die Reibungswider­ stände des Dichtrings oder die Verformungswiderstände der Membran.

Bei Inbetriebnahme der Kolbenmaschine muß die Ölsäule durch Füllen des zugehörigen Raumes mit Öl erzeugt werden. Da beide Gasbehälter und dadurch der Arbeitszylinder im gesamten Hubbereich des Arbeitskolbens Gas von hohem Druck gegenüber dem Druck im Gehäuse des Treibkolbens enthalten, sind am Arbeitskolben ständig nur Kräfte in Druckrichtung möglich und in Zugrichtung ausgeschlossen. Sobald der Arbeitskolben am Ende seines Hubbereichs - am äußeren Totpunkt - durch die zugehörige Begrenzung festgehalten ist, kann die Ölsäule über ein dafür vorgesehenes Rückschlagventil aus einer Ölleitung gefüllt werden, deren Druck geringer ist als der kleinstmögliche Druck der Ölsäule im Hubbereich des Arbeitskolbens zwischen den Begrenzungen. Diese Bedingung ist erforderlich, da bei einem höheren Druck der Ölleitung in unerwünschter Weise Öl auch in dem begrenzten Hubbereich in den Raum der Ölsäule eintreten könnte und eine dadurch verlängerte Ölsäule den Treibkolben blockieren würde, sobald der Arbeitskolben an die Begrenzung stößt, die seinem inneren Totpunkt zugeordnet ist. Das Rückschlagventil ist zugleich als Schnüffelventil wirksam, falls sich in der Ölsäule Hohlräume beispielsweise durch Ölschrumpfung bei Abkühlung oder durch Ölverlust des Treibkolbens bilden sollten. Zur Schmierung des Treibkolbens kann Ölverlust bewußt in Kauf genommen werden, wobei das Hubvolumen des Treibkolbens entsprechend größer als das des Arbeitskolbens ausgelegt werden kann. Zum Schutz gegen einen unzulässig hohen Druck in der Ölsäule kann ein Sicherheitsventil vorgesehen werden.

Bei Benutzung der Erfindung für eine Kolbenmaschine mit mehreren achsparallelen Arbeitszylindern in einem Zylinder­ block und einem Zylinderkopf, die sich in einer Stirnfläche berühren und relativ zueinander drehbar gelagert sind, kann der Achsabstand der Treibzylinder ein anderer beispiels­ weise größer sein als der Achsabstand der Arbeitszylinder, um so Kräfte und Hub von Arbeitskolben und Treibkolben einan­ der anzupassen.

Eine Hubbegrenzung durch Anschlagen des Arbeitskolbens am Deckel des Arbeitszylinders schafft günstige Vorausset­ zungen für einen kleinen schädlichen Raum der Kolbenmaschine. Arbeitskolben und Treibkolben können in voneinander getrennten Bauteilen angeordnet werden, die durch Leitungen verbunden sind, wobei diese einen Teil der Ölsäule bilden. Die Steue­ rungsmittel für Gas-Eintritt und -Austritt des Arbeitszylinders können hierbei dem Bauteil Arbeitskolben oder auch dem Bauteil Treibkolben zugeordnet sein.

In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen. Es zeigt

Fig. 1 eine Einzylinder-Kolbenmaschine mit einem Arbeitskolben in einer Stellung kurz nach dem inneren Totpunkt,

Fig. 2 die Kolbenmaschine nach Fig. 1 mit dem Arbeitskolben in einer Stellung kurz nach dem äußeren Totpunkt,

Fig. 3 eine Kolbenmaschine mit achsparallelen Arbeitszylindern in einem Längsschnitt,

Fig. 4 einen Querschnitt des Zylinderkopfs der Kolbenmaschine nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Teilschnitt entlang einer Linie X . . . X der Fig. 4.

Die Kolbenmaschine nach Fig. 1 und Fig. 2 besteht aus einem im Längsschnitt dargestellten Gastransport-Bauteil 1 und einem schematisch gezeichneten Treibkolben-Bauteil 11, die durch eine Leitung 16 miteinander verbunden sind. Das Gas wird aus einem ersten Gasbehälter 8 mittels eines schei­ benförmigen, mit einem Dichtring 100 versehenen Arbeitskol­ bens 2, der in einem Arbeitszylinder 3 verschieblich ist und denselben in einen gasseitigen Arbeitsraum 108 und einen ölseitigen Arbeitsraum 109 trennt, über eine Eintrittskam­ mer 5 und ein Einlaßventil 4 in den gasseitigen Arbeits­ raum 108 transportiert und von dort über ein Auslaßventil 6 und eine Austrittskammer 7 in einen zweiten Gasbehälter 9.

Der Arbeitskolben 2 stützt sich auf seiner dem Gas abgewand­ ten Seite an einer Ölsäule 10 ab, die den ölseitigen Arbeits­ raum 109 ausfüllt, sowie die Ölleitung 16 und den Treibzy­ linder 13 bis zu einem in diesem verschieblichen Treibkol­ ben 12, dem mittels eines Pleuels 17 und eines Kurbelarms 18 eine hin- und hergehende Hubbewegung aufgezwungen wird. Der Kurbelarm 18 möge im Uhrzeigersinn rotieren.

Bei Hubbewegungen des Treibkolbens 12 wird eine dem jeweili­ gen Weg entsprechende Ölmenge zwischen dem Treibzylinder 13 und dem ölseitigen Arbeitsraum 109 hin- und hergeschoben, wobei der Arbeitskolben 2 eine mit der Hubbewegung des Treibkolbens 12 phasengleiche Hubbewegung ausführt, deren jeweiliger Weg umgekehrt proportional dem Verhältnis der Kolbenflächen von Treibkolben 12 und Arbeitskolben 2 ist.

Der Arbeitszylinder 3 weist eine durch eine Schulter der Zylinderwand gebildete innere Begrenzung 14 des Arbeitskol­ benhubs auf und eine ebenso gebildete äußere Begrenzung 15 des Arbeitskolbenhubs. Das Hubvolumen des Arbeitskolbens 2 zwischen den Begrenzungen 14 und 15 ist gleich dem durch den Kurbelarm 18 festgelegten Hub des Treibkolbens 12. In der Stellung nach Fig. 1 hat der Arbeitskolben 2 die innere Begrenzung 14 soeben verlassen. Die Maschine macht einen Einlaßhub mit geöffnetem Einlaßventil 4 und geschlosse­ nem Auslaßventil 6. In der Stellung nach Fig. 2 hat der Arbeitskolben die äußere Begrenzung 15 soeben verlassen. Die Maschine macht einen Auslaßhub mit geschlossenem Einlaß­ ventil 4 und geöffnetem Auslaßventil 6.

Außerhalb der äußeren Begrenzung 15 münden eine Ölleitung 62 über ein in der Einleitung beschriebenes Schnüffelventil 64 in den ölseitigen Arbeitsraum 109 und ein Sicherheitsven­ til 65 in eine Ölleitung 63, die mit der Ölleitung 62 verbun­ den sein kann.

Bei der Kolbenmaschine nach Fig. 3 sind in einem Zylinder­ block 60 acht durch einen Zylinderdeckel 19 abgeschlossene Arbeitszylinder 71 achsparallel auf einem Teilkreis angeord­ net. Scheibenförmige Arbeitskolben 61 sind in den Arbeitszylin­ dern 71 geführt und bilden mit diesen auf der dem Zylinder­ deckel 19 zugewandten Seite gasseitige Arbeitsräume 67 und auf der anderen Seite ölseitige Arbeitsräume 112. An die Arbeitszylinder 71 schließen sich unmittelbar in ihrer Verlängerung Treibzylinder 57 an, die von dem Boden 59 der Arbeitszylinder 71 ausgehen und auf einem größeren Teilkreis als dem der Arbeitszylinder 71 liegen. In den Treibzylindern 57 sind Treibkolben 58 geführt. Jeder Arbeits­ kolben 61 stützt sich an einer Ölsäule 110 ab, die den Raum zwischen dem Arbeitskolben 16 und dem zugehörigen Treibkolben 58 ausfüllt.

Der Zylinderblock 60 ist von einem mit einem Gehäusedeckel 21 versehenen Gehäuse 70 umgeben und auf einem Bolzen 69, der in den Gehäusedeckel 21 eingepreßt ist, unter Verwendung eines Gleitlagers 80 drehbar gelagert. Ein im oberen Teil des Gehäuses 70 gebildeter Zylinderkopf 68 und der Zylinder­ block 60 berühren sich kraftschlüssig in einer Stirnflä­ che 20. Der für eine Dichtheit der Stirnfläche 20 erforder­ liche Anpreßdruck wird durch eine Schraubenfeder 72 erzeugt, die sich über eine auf dem freien Ende des Bolzens 69 drehbar gelagerte Lagerbuchse 75 an einer Schulter 77 eines in den Bolzen 69 gepreßten Pilzes 76 abstützt. Ein Kegelrad 93, das den Kopf des Pilzes 76 berührungslos umgibt, ist mit der Lagerbuchse 75 starr und mit dem Zylinderblock 60 mittels einer Kerbverzahnung 79 torsionssteif, jedoch verschieblich verbunden.

Eine zum Zylinderblock 60 schräg stehende Kurbelscheibe 83 ist mit einer aus dem Gehäuse 70 herausgeführten Antriebs­ welle 73 versehen, die in einer Buchse 66 des Gehäuses 70 gelagert und axial festgelegt ist. Am äußeren Rand der Kurbelscheibe sind auf einem Teilkreis in gleichem Abstand acht Kugelpfannen 84 angeordnet, in denen Kugelköpfe 74 von Pleuelstangen 87 schwenkbar gelagert und in axialer Richtung durch eine Bördelung der Kugelpfanne 84 gesichert sind. Am kolbenseitigen Ende sind die Pleuelstangen 87 mit Kugelköpfen 88 versehen, die einen nur wenig kleineren Durchmesser als den des Treibkolbens 58 aufweisen, und in Kugelpfannen 90 ohne axiale Sicherung schwenkbar gelagert. Die Kurbelscheibe 83 ist mit einem Kegelrad 92 vereinigt, das in das Kegelrad 93 des Zylinderblocks 60 eingreift. Die Antriebswelle 73 versetzt den Zylinderblock 60 in eine mit ihr synchrone Drehbewegung und die Treibkolben 58 in eine sinusförmige Hubbewegung relativ zu den mit dem Zylinder­ block 60 umlaufenden Treibzylindern 57, wie im einzelnen in der PS 32 33 757 nachgelesen werden kann. Der linke Treibkolben 58 ist im äußeren Totpunkt gezeichnet, der rechte 58′ im inneren Totpunkt. Durch den Kraftschluß mit der zugehörigen Ölsäule 110 befindet sich der linke Arbeitskol­ ben 61 im äußeren und der rechte 61′ im inneren Totpunkt.

An den Gehäusedeckel 21 ist eine durch eine Ölpumpe gespeiste Ölleitung 42 angeschlossen, die einer Bohrung 43 des Bol­ zens 69 Öl zuführt und weiter über eine Querbohrung 46 einem Ringraum 45, der mit einem Dichtring 82 gegenüber einem vorzugsweise drucklosen Ölsumpf des Gehäuses 70 gedich­ tet ist und von dem aus die Ölsäulen 110 über Schnüffel­ ventile 44 mit Öl gefüllt bzw. bei Bildung von Hohlräumen ergänzt werden. Das Öl im Ringraum 45 dient zugleich zur Schmierung des Gleitlagers 80 und der Stirnfläche 20. Über eine weitere Querbohrung 46′ wird die Lagerbuchse 75 mit Schmieröl versorgt.

Der Zylinderkopf 68 weist einen feststehenden Außenring 25 mit einer Ringkammer 94 und einen den Innenmantel derselben bildenden Innenring 30 auf, dessen Verlängerung 31 drehbar in einem die Ringkammer 94 begrenzenden Boden 27 steckt, und eine aus der Ringkammer 94 herausführende, zur Stirnflä­ che 20 offene Umfangsnut 99. Die Verlängerung 31 des Innen­ rings 30 ist mit einer Verzahnung 32 versehen, in die ein Ritzel 40 eingreift. Eine aus dem Gehäusedeckel 21 tretende Achse 41 des Ritzels 40 dient zum Verdrehen des Innenrings 30. Schlitzförmige Zylinderöffnungen 95, die den Zylinderdeckel 19 durchbrechen, münden in die Umfangsnut 99.

Fig. 4 stellt einen in Richtung auf die Umfangsnut 99 und die Zylinderöffnungen 95 gesehenen Schnitt durch die Ringkam­ mer 94 dar. Links befindet sich eine Zylinderöffnung 95′ im äußeren Totpunkt und rechts eine 95′′ im inneren Totpunkt. Die Zylinderöffnungen 95 mögen sich zusammen mit dem Zylinder­ block 60 (Fig. 3) im Uhrzeigersinn gegenüber dem Zylinder­ kopf 68 bewegen. Die Umfangsnut 99 und die Ringkammer 94 sind im Bereich des inneren Totpunkts durch einen von einer Steuerkante Einlaßanfang 102 bis zu einer Steuerkante Auslaß­ ende 105 reichenden, mit dem Außenring 25 verbundenen Ab­ schnitt 29 unterbrochen, der die Zylinderöffnungen 95 zwischen diesen Steuerkanten überdeckt und schließt. Umfangsnut 99 und Ringkammer 94 sind ferner in einem Winkelbereich von einer Steuerkante Einlaßende 103 bis zu einer Steuerkante Auslaßanfang 104 durch eine in diesem Winkelbereich die Zylinderöffnungen 95 überdeckenden und schließenden Schwin­ ge 33 unterbrochen.

Die Ringkammer 94 bildet im Uhrzeigersinn zwischen dem Ab­ schnitt 29 und der Schwinge 33 eine Einlaßkammer 96, die mit einem Gaseintritt 47 der Kolbenmaschine Verbindung hat, und zwischen der Schwinge 33 und dem Abschnitt 29 eine Auslaßkammer 97, die mit einem Gasaustritt 48 Verbindung hat. In der gezeichneten Stellung der in Umfangsrichtung mit Hilfe des Ritzels 40 (Fig. 3) verschiebbaren Schwin­ ge 33 ist eine die Einlaßkammer 96 und die Auslaßkammer 97 verbindende Bypassnut 54 vorgesehen.

Bei entsprechender Verschiebung der Schwinge 33 arbeitet die Kolbenmaschine, ähnlich wie die nach der PS . . . (Patentan­ meldung P 38 20 632.3-15), als Gas-Verdichter, wenn der Eintrittsdruck niederer ist als der Austrittsdruck, oder als Gas-Motor, wenn der Eintrittsdruck höher ist als der Austrittsdruck. Insofern ist die Kolbenmaschine nach der Erfindung eine Weiterentwicklung des Kolbenverdichters nach der PS . . . (Patentanmeldung wie oben), bei dem keine Ölsäule im Sinne der Erfindung vorgesehen ist.

Aus dieser Schrift können Einzelheiten der Wirkungsweise und Indikatordiagramme in verschiedenen Stellungen der Schwinge 33 entnommen werden. Wenn die Drücke in der Einlaßkam­ mer 96 und der Auslaßkammer 97 einander gleich sind, verharrt die Schwinge 33 in der gezeichneten Grundstellung und das transportierte Gas strömt aus der Auslaßkammer 97 durch die Bypassnut 54 in die Einlaßkammer 96 zurück. Wenn der Druck in der Einlaßkammer 96 niederer als in der Auslaßkam­ mer 97 ist, wird die Schwinge 33 durch Regelmittel zum Auslaßende 105 hin verschoben und arbeitet die Kolbenmaschine als Gas-Verdichter, wobei die Schwinge 33 die Kompressions­ phase von Einlaßende 103 bis Auslaßanfang 104 steuert. Wenn der Druck in der Einlaßkammer 96 höher als in der Auslaßkammer 97 ist, wird die Schwinge 33 zum Einlaßende 102 hin verschoben und arbeitet die Maschine als Gas-Motor, wobei die Schwinge 33 die Expansionsphase von Einlaßende 103 bis Auslaßanfang 104 steuert. Bei einem Umsteuern der Maschine in die andere Drehrichtung, erfolgt der Gastransport in der entgegengesetzten Richtung.

Eine Besonderheit der Anordnung nach Fig. 3 ist der durch das Anschlagen des Arbeitskolbens 61 am Zylinderdeckel 19 ermöglichte kleine schädliche Raum. Dieser kann durch ent­ sprechende Gestaltung der Zylinderöffnung 95 in vorteilhafter Weise so klein gehalten werden, daß beim Arbeiten als Gas- Verdichter auf eine gesteuerte Expansionsphase bei Einlaß­ beginn und beim Arbeiten als Gas-Motor auf eine gesteuerte Kompressionsphase bei Auslaßende verzichtet werden kann.

Die Abdichtung der Stirnfläche 20 nach Fig. 3 erfolgt in schon erwähnter Weise durch den Anpreßdruck der Schrauben­ feder 72, wobei der gegenüber dem Boden 27 verschiebliche, mittels eines Dichtringes 55 gedichtete und mit einer Schul­ ter 56 versehene Innenring 30 als Ganzes durch den auf die Schulter 56 wirkenden Druck der Ringkammer 94 gegen den Zylinderblock 60 gepreßt ist. Die Abdichtung des Arbeits­ kolbens 61 gegenüber der Ölsäule 110 erfolgt durch einen Dichtring 85. Eine Abdichtung der Schwinge 33 an den Wänden der Ringkammer 94 kann durch Dichtleisten oder Maßnahmen anderer Art vorgenommen werden.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Gasaustritt 48 und eine Variante für die Abdichtung der Stirnfläche 20, bei der die Schraubenfeder 72 entfallen kann und der Zylinder­ block 60 axial festgelegt zu denken ist. Die Umfangsnut 99 ist auf der Seite des Außenrings 25 mit einem längsverschieb­ lichen Ring 49 versehen, der durch einen Dichtring 51 gegen den Raum des Gehäuses 70 gedichtet ist, und auf der Seite des Innenrings 30 mit einem längsverschieblichen Ring 50, der gegen das Gehäuse 70 durch einen Dichtring 52 gedichtet ist. Der Innenring 30 ist in nicht gezeichneter Weise axial festgelegt. Die Ringe 49 und 50 sind an ihrem Umfang mit vorspringenden Bereichen versehen, in denen die Zylinder­ öffnungen 95 sinngemäß abgedeckt sind, und werden durch den sie belastenden Druck der Ringkammer 94 dichtend gegen die Stirnfläche 20 gepreßt.

Die Anordnung der Arbeitskolben 61 auf einem kleinen Teilkreis wirkt sich günstig für die Beherrschung der Kräfte zwischen Zylinderkopf 68 und Zylin­ derblock 60 aus, während der größere Teilkreis der Treibkolben 58 in vor­ teilhafter Weise die Kolbenkräfte reduziert und den Kolbenhub vergrößert.

Claims (5)

1. Kolbenmaschine zum Tranport von Gas aus einem Gasbehälter in einen anderen Gasbehälter mittels eines Arbeitskolbens, der in einem mit einer Eintrittskammer und einer Austritts­ kammer versehenen Arbeitszylinder eine hin- und hergehende Hubbewegung ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben (2, 61) zwischen Begrenzungen (14 und 15, 19 und 59), die einen Hubbereich des Arbeitskolbens (2, 61) festlegen, frei beweglich ist und sich auf seiner dem Gas abgewandten Seite an einer Ölsäule (10, 110) abstützt, die durch einen Treibkolben (12, 58) hin- und herbewegt wird, wobei das Hubvolumen des Treibkolbens gleich oder nahezu gleich dem Hubvolumen des Arbeitskolbens ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume der Ölsäule (10, 110) über ein Schnüffelventil (64, 44) aus einer Ölleitung (62, 43) gefüllt werden, deren Druck geringer ist als der kleinstmögliche Druck der Ölsäule (10, 110) in dem Hubbereich des Arbeitskolbens (2, 61) zwischen den Begrenzungen (14 und 15, 19 und 59).

3. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Kolbenmaschine mit einem Zylinder­ block (60) und einem Zylinderkopf (68), die sich in einer Stirnfläche (20) berühren und relativ zueinander drehbar gelagert sind, mit mehreren in dem Zylinderblock (60) achspa­ rallel angeordneten Arbeitszylindern (71) der Achsabstand der Zylinder (57) für die Treibkolben (58) ein anderer ist als der Achsabstand der Arbeitszylinder (71).

4. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Begrenzung durch Anschlagen des Arbeits­ kolbens (61) am Zylinderdeckel (19) des Arbeitszylinders (71) erfolgt.

5. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Arbeitskolben (2) und Treibkolben (12) in voneinander getrennten Bauteilen (1 und 11) angeordnet sind, die durch Leitungen (16) miteinander verbunden sind.