EP2480761B1 - Gasexpansionsmotor - Google Patents

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EP2480761B1
EP2480761B1 EP10766233.0A EP10766233A EP2480761B1 EP 2480761 B1 EP2480761 B1 EP 2480761B1 EP 10766233 A EP10766233 A EP 10766233A EP 2480761 B1 EP2480761 B1 EP 2480761B1
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EP
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cylinder
compressed air
piston
working chamber
valve
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EP10766233.0A
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Ernst Beck
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/10—Control of working-fluid admission or discharge peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B25/00—Regulating, controlling, or safety means
    • F01B25/02—Regulating or controlling by varying working-fluid admission or exhaust, e.g. by varying pressure or quantity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/02—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis with wobble-plate
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/26—Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis

Definitions

  • the present invention relates to a compressed air motor comprising a compressed air source, at least two piston cylinder assemblies each having a cylinder and a displaceably guided therein piston, wherein the pistons are at least partially counter-motion coupled to each other and wherein each piston-cylinder assembly a controllable inlet valve which connects the working space of the cylinder with the compressed gas source , a controllable outlet valve which connects the working space with the environment, and has a check valve opening in the direction of the working space, which opens at a prevailing in the working space to the ambient pressure and vacuum connects the working space with the environment, a control that the inlet valve and the exhaust valve in response to the piston position controls, and driven by the piston drive shaft.
  • Such a compressed air motor is, for example by US Pat. No. 671,394 A known.
  • the inlet valves are mechanically controlled and designed as Schlotterventile that connect the working space with the environment at a prevailing in the working space relative to the ambient pressure.
  • the intake and exhaust valves are electronically controlled and the controller is designed for electronically controlling the intake and exhaust valves and that in or on the cylinder, in particular in the cylinder head cover, a heater for heating the working space is provided.
  • the heated compressed air in the working space volume and pressure of the compressed air are much larger, and it can be done more work with less air, so that the efficiency of the air motor is further increased.
  • the inlet valve and / or the outlet valve are arranged in the cylinder head cover of the cylinder.
  • a pressure accumulator is also provided, which is connected via a direction of progress from the working space opening check valve with the working space.
  • the compressed air motor can thus be operated as a compressor without conversion by the positive pressure prevailing in the working space is promoted by the pressure relief valve in the accumulator with appropriate control of the inlet and outlet valves.
  • this check valve is arranged in the cylinder head cover of the cylinder.
  • compressed air motor 1 has a source of compressed air (eg compressed air cylinder) 2 and two piston cylinder assemblies 3 , each with a cylinder 4 and a piston 5 slidably guided therein.
  • the two pistons 5 each drive via a connecting rod 6 to a rotatably mounted swash plate 7 and are coupled in motion in opposite directions via the swash plate 7.
  • the intake and exhaust valves 8, 10 are arranged outside the cylinder 4.
  • the intake valve 8 and / or the exhaust valve 10 may also be arranged on the cylinder 4 and in particular in the cylinder head cover 13 of the cylinder 4.
  • the intake and exhaust valves 8, 10 are preferably 2/2-way solenoid valves.
  • the suction valve 11 is arranged in the piston surface of the piston 5 and thus connects the working space 9 with the open to the atmosphere, rear cylinder space.
  • the suction valve 11 may also be arranged in the cylinder head cover 13.
  • a heater 15 is provided for heating the working space 9 to heat the compressed air in the working space 9.
  • the volume and pressure of the compressed air are much larger, and it can be done more work with less air, so that the efficiency of the air motor is further increased.
  • the entire cylinder 4 is surrounded by a thermal insulation 16 to prevent heat loss. If no heating and heat insulation are provided, the cylinder 4 may alternatively be provided with ribs (not shown) to dissipate the generated during the expansion of the compressed air to the environment.
  • a pressure accumulator (compression chamber) 17 may be provided, which via a from the working space 9 at an overpressure automatically opening check valve or pressure relief valve 18 to the working space. 9 connected.
  • this pressure relief valve 18 is arranged outside the cylinder 4, but can alternatively also be arranged on the cylinder 4 and in particular in the cylinder head cover 13.
  • the workflow of the compressed air motor 1 is described below with reference to the left in the figures, the piston cylinder assembly 3.
  • the workflow of the right piston cylinder assembly 3 is analog but offset in opposite directions.
  • the inlet valve 8 is controlled by the controller 12 by a short electronic pulse and opens briefly, so that the compressed air under high pressure flows into the working space (expansion chamber) 9 of the cylinder. After closing the inlet valve 8, the compressed air expands to the expansion end point, but at most to atmospheric pressure, and thereby displaces the piston 5 downwards. At the same time, the compressed air cools down during its expansion.
  • the piston 5 offset via the swash plate 7, the drive shaft 19 together with a flywheel 20 in rotation. If the pressure prevailing in the working space 9 has relaxed to atmospheric pressure before the bottom dead center is reached, the movement of the piston 5 would be stopped immediately and the compressed air motor 1 stop. To prevent this, the suction valve 11 is provided, which opens at a pressure prevailing in the working chamber 9 negative pressure and thus keeps the working space 9 to reach the bottom dead center to atmospheric pressure, whereby a stopping of the piston 5 is prevented.
  • the exhaust valve 10 is controlled by the control unit 12 and opens until it reaches top dead center, so that the present in the working space 9 air can escape through the outlet valve 10.
  • the exhaust valve 10 closes shortly before top dead center, so that the piston 5 is braked by the remaining air cushion in the working space 9.
  • the return movement (return phase) of the left piston 5 from the bottom to the top dead center is effected in operation by the right piston 5, which is due to its opposition in its expansion phase. in the reset phase, the pistons 5 are also driven by the flywheel 18 on and can thus easily overcome their dead points in operation.
  • the control unit 12 switches over, and the compressed air motor 1 is operated without conversion as a compressor, which promotes the pressure prevailing in the working space 9 overpressure through the pressure relief valve 18 into the pressure accumulator 17.
  • cold ambient air is introduced into the working space 9 for cooling the compressor by the suction valve 11, which increases the efficiency of the compressor.
  • the two pistons 5 may also be connected to each other and to the drive axle 19 by any other known coupling mechanism (e.g., crankshaft).
  • any other known coupling mechanism e.g., crankshaft

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckluftmotor umfassend eine Druckluftquelle, mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben, wobei die Kolben zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung ein ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, ein ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, und ein in Richtung auf den Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil aufweist, das bei einem im Arbeitsraum gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, eine Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition ansteuert, und eine von den Kolben angetriebene Antriebsachse.
  • Ein derartiger Druckluftmotor ist beispielsweise durch US 671,394 A bekannt geworden.
  • Bei diesem bekannten Druckluftmotor sind die Einlassventile mechanisch gesteuert und als Schlotterventile ausgebildet, die bei einem im Arbeitsraum gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck den Arbeitsraum mit der Umgebung verbinden.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckluftmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einlass- und Auslassventile elektronisch ansteuerbar sind und die Steuerung zum elektronischen Ansteuern der Einlass- und Auslassventile ausgebildet ist und dass im oder am Zylinder, insbesondere im Zylinderkopfdeckel, eine Heizung zum Erwärmen des Arbeitsraumes vorgesehen ist.
  • Durch die aufgeheizte Druckluft im Arbeitsraum 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.
  • Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind das Einlassventil und/oder das Auslassventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist außerdem ein Druckspeicher vorgesehen, der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Bei abgeschalteter Druckluftzufuhr kann der Druckluftmotor so ohne Umbau als Kompressor betrieben werden, indem bei entsprechender Ansteuerung der Ein- und Auslassventile der im Arbeitsraum herrschende Überdruck durch das Überdruckventil in den Druckspeicher gefördert wird. Vorteilhafterweise ist auch dieses Rückschlagventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
  • 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.
  • Es zeigen:
    • Fign. 1, 2
    den erfindungsgemäßes Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrer einen Totpunktlage (Fig. 1) und in ihrer anderen Totpunktlage (Fig. 2).
  • Der in Fign. 1 und 2 gezeigte Druckluftmotor 1 weist eine Druckluftquelle (z.B. Druckluftflasche) 2 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.
  • Die beiden Kolbenzylinderanordnungen 3 sind identisch aufgebaut und umfassen jeweils:
    • ein elektronisch ansteuerbares Einlassventil 8, das den Zylinder- oder Arbeitsraum 9 des Zylinders 4 mit der Druckluftquelle 2 verbindet;
    • ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil 10, das den Arbeitsraum 9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbindet,
    • ein in Richtung auf den Arbeitsraum 9 öffnendes Rückschlag- bzw. Saugventil 11, das bei einem im Arbeitsraum 9 gegenüber dem Atmosphärendruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre verbindet; und
    • ein elektronisches Steuergerät 12, welches auf den oberen bzw. unteren Totpunkt der Kolben 5 justiert ist und die Ein- und Auslassventile 8, 10 in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert.
  • Wie in den Figuren gezeigt, sind die Ein- und Auslassventile 8, 10 außerhalb des Zylinders 4 angeordnet. Alternativ können das Einlassventil 8 und/oder das Auslassventil 10 auch am Zylinder 4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel 13 des Zylinders 4 angeordnet sein. Die Einlass- und Auslassventile 8, 10 sind vorzugsweise 2/2-Wege-Magnetventife.
  • Wie in den Figuren gezeigt, ist das Saugventil 11 in der Kolbenfläche des Kolbens 5 angeordnet und verbindet so den Arbeitsraum 9 mit dem zur Atmosphäre hin offenen, rückwärtigen Zylinderraum. Alternativ kann das Saugventil 11 ebenfalls im Zylinderkopfdeckel 13 angeordnet sein.
  • Im Zylinder 4 und auch im Zylinderkopfdeckel 13, in der die vom Einlassventil 10 zum Arbeitsraum 9 führende Druckluftleitung 14 verläuft, ist eine Heizung 15 zum Erwärmen des Arbeitsraumes 9 vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum 9 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. Außerdem ist der gesamte Zylinder 4 von einer Wärmeisolierung 16 umgeben, um Wärmeverluste zu vermeiden. Sofern keine Heizung und Wärmeisolierung vorgesehen sind, kann der Zylinder 4 alternativ mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen.
  • Außerdem kann noch ein Druckspeicher (Kompressionsraum) 17 vorgesehen sein, der über ein aus dem Arbeitsraum 9 bei einem Überdruck selbsttätig öffnendes Rückschlag- bzw. Überdruckventil 18 an den Arbeitsraum 9 angeschlossen ist. Wie in den Figuren gezeigt, ist, ist dieses Überdruckventil 18 außerhalb des Zylinders 4 angeordnet, kann jedoch alternativ auch am Zylinder 4 und insbesondere im Zylinderkopfdeckel 13 angeordnet sein.
  • Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors 1 wird im Folgenden anhand der in den Figuren linken Kolbenzylinderanordnung 3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung 3 ist analog, aber gegenläufig versetzt.
  • In dem in Fig. 1 gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens 5 wird das Einlassventil 8 vom Steuergerät 12 durch einen kurzen elektronischen Impuls angesteuert und öffnet kurzzeitig, damit die unter Hochdruck stehende Druckluft in den Arbeitsraum (Expansionsraum) 9 des Zylinders einströmt. Nach Schließen des Einlassventils 8 expandiert die Druckluft bis zum Expansionsendpunkt, aber höchstens bis zum Atmosphärendruck, und verschiebt dadurch den Kolben 5 nach unten. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben 5 versetzt über die Taumelscheibe 7 die Antriebsachse 19 zusammen mit einem Schwungrad 20 in Rotation. Wenn sich der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck auf Atmosphärendruck entspannt hat, bevor der untere Totpunkt erreicht ist, würde die Bewegung des Kolbens 5 augenblicklich gestoppt werden und der Druckluftmotor 1 anhalten. Um dies zu verhindern, ist das Saugventil 11 vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum 9 herrschenden Unterdruck öffnet und so den Arbeitsraum 9 bis zum Erreichen des unteren Totpunkts auf Atmosphärendruck hält, wodurch ein Stoppen des Kolbens 5 verhindert wird.
  • In dem in Fig. 2 gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens 5 wird das Auslassventil 10 vom Steuergerät 12 angesteuert und öffnet bis zum Erreichen des oberen Totpunkts, so dass die im Arbeitsraum 9 vorhandene Luft durch das Auslassventil 10 entweichen kann. Bevorzugt schließt das Auslassventil 10 kurz vor dem oberen Totpunkt, damit der Kolben 5 durch das verbleibende Luftpolster im Arbeitsraum 9 abgebremst wird. 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 18 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden.
  • Durch die Heizung 15 wird die im Arbeitsraum 9 befindliche bzw. zugeführte Druckluft erwärmt, wodurch Druck und Volumen der Druckluft erhöht werden. Folglich wird die Arbeitsleistung gesteigert und weniger Druckluft benötigt und somit der Wirkungsgrad des Druckluftmotors 1 weiter erhöht.
  • Ist die Druckluftzufuhr abgeschaltet, schaltet das Steuergerät 12 um, und der Druckluftmotor 1 wird ohne Umbau als Kompressor betrieben, der den im Arbeitsraum 9 herrschenden Überdruck durch das Überdruckventil 18 in den Druckspeicher 17 fördert. In diesem Fall wird durch das Saugventil 11 kalte Umgebungsluft in den Arbeitsraum 9 zur Kühlung des Kompressors eingelassen, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kompressors erhöht.
  • Statt der gezeigten Taumelscheibe können die beiden Kolben 5 auch durch jeden anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z.B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse 19 verbunden sein.

Claims (6)

  1. Druckluftmotor (1) umfassend:
    eine Druckluftquelle (2),
    mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (3) mit jeweils einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzylinderanordnung (3) ein ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, ein ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, und ein in Richtung auf den Arbeitsraum (9) öffnendes Rückschlagventil (11) aufweist, das bei einem im Arbeitsraum (9) gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet,
    eine Steuerung (12), die das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition ansteuert, und
    eine von den Kolben (5) angetriebene Antriebsachse (19),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Einlass- und Auslassventile (8, 10) elektronisch ansteuerbar sind und die Steuerung (12) zum elektronischen Ansteuern der Einlass- und Auslassventile (8, 10) ausgebildet ist, und
    dass im oder am Zylinder (4), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13), eine Heizung (15) zum Erwärmen des Arbeitsraumes (9) vorgesehen ist.
  2. Druckluftmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
  3. Druckluftmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (10) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
  4. Druckluftmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (11) im Kolben (5) oder im Zylinder (4), insbesondere im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4), angeordnet ist.
  5. Druckluftmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (17), der über ein in Richtung fort aus dem Arbeitsraum (9) öffnendes Rückschlagventil (18) mit dem Arbeitsraum (9) verbunden ist.
  6. Druckluftmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (18) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
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