WO2011035778A1 - Gasexpansionsmotor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas expansion engine, in particular a pneumatic motor. It is the object of the present invention to provide a gas expansion engine with the highest possible efficiency.
- a gas expansion engine in particular a pneumatic motor, which comprises:
- piston-cylinder arrangement with a cylinder and a piston displaceably guided therein, wherein the piston-cylinder arrangement is a
- the gas expansion engine according to the invention preferably comprises at least two cylinder arrangements each having a cylinder and one therein
- each Kolbenzyiinderan angelice an electronically or mechanically controllable inlet valve that connects the working space of the cylinder with the compressed gas source, and an electronically or mechanically controllable exhaust valve, which the work space with the environment connects, and an electronic or mechanical control that controls the inlet valve and Auslassventil depending on the piston position electronically or mechanically.
- the controller may be, for example, a camshaft or an electronic
- a non-return valve opening in the direction of the working space is preferably provided, which in the case of a negative pressure prevailing in the working space relative to the ambient pressure opens and connects the workspace with the environment and so keeps to ambient pressure.
- the check valve in the piston or in the cylinder head cover of the cylinder is arranged.
- a pressure accumulator is also provided, which opens on a forth in the direction away from the working space
- the compressed air motor can be operated without conversion as a compressor by by appropriate control of inputs and
- Pressure relief valve is conveyed into the accumulator.
- this check valve is arranged in the cylinder head cover of the cylinder.
- the one in Fign. 1 and 2 has a Druckluftquelie (for example, 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 a rotatably mounted
- the two piston-cylinder arrangements 3 are of identical construction and each comprise:
- Working space 9 of the cylinder 4 connects to the compressed air source 2; an electronically controllable outlet valve 10, which connects the working space 9 with the environment, that is with the atmosphere,
- 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 disposed in the piston surface of the piston 5, thus connecting the working space 9 with the rearward cylinder space open to the atmosphere.
- 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.
- Inlet valve 8 is actuated by the control unit 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 1 1 is provided, which opens at a pressure prevailing in the working chamber 9 negative pressure and so the working space 9 until reaching bottom dead center
- Exhaust valve 10 is controlled by the control unit 12 and opens until it reaches top dead center, so that the air present in the working space 9 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 top dead center is effected in operation by the right piston 5, which is due to its opposition in its expansion phase, in the return phase, the piston 5 are also driven by the flywheel 18 on and so easily overcome their dead points during operation.
- the heater 15 located in the working space 9 or supplied compressed air is heated, whereby pressure and volume of the compressed air are increased. Consequently, the work is increased and requires less compressed air and thus the efficiency of the air motor 1 further increased.
- control unit 12 switches over, and the compressed air motor 1 is operated without conversion as a compressor, the in the
- Ambient air is admitted into the working space 9 for cooling the compressor, 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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Abstract
Ein Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, umfasst eine Druckgasquelle (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 elektronisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie ein elektronisches Steuergerät (12), welches das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch ansteuert.
Description
Gasexpansionsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasexpansionsmotor, insbesondere einen Druckluftmotor. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasexpansionsmotor mit möglichst hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, der umfasst:
eine Druckgasquelle;
mindestens eine Kolbenzylinderanordnung mit einem Zylinder und einem darin verschiebbar geführten Kolben, wobei die Kolbenzylinderanordnung ein
elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie
eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw.
mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches Steuergerät sein.
Bei nur einer einzigen Kolbenzyiinderanordnung kann der erforderliche Rückhub des Kolbens beispielsweise durch die Schwungmasse des Motors erfolgen. Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor umfasst bevorzugt jedoch mindestens zwei Zylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder und einem darin
verschiebbar geführten Kolben vorgesehen, wobei die Kolben für ihren Rückhub zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind und wobei jede Kolbenzyiinderanordnung ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil, das den Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil, das den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Ausiassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert. Die Steuerung kann beispielsweise eine Nockenwelle oder ein elektronisches
Steuergerät sein.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind das
Einlassventil und/oder das Ausiassventil im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet.
Um einen Unterdruck im Arbeitsraum, insbesondere wenn mit geringer Luftmenge gearbeitet wird, und damit ein augenblickliches Stoppen des Kolbens bzw. des Motors zu verhindern, ist vorzugsweise ein in Richtung auf den Arbeitsraum öffnendes Rückschlagventil vorgesehen, das bei einem im Arbeitsraum gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet und so auf Umgebungsdruck hält. Vorteilhafterweise ist das Rückschlagventil im Kolben oder im Zylinderkopfdeckel des Zylinders angeordnet. Vorzugsweise ist im Zylinder oder im Zylinderkopfdeckel eine Heizung zum
Erwärmen des Arbeitsraumes vorgesehen, um die Druckluft im Arbeitsraum 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.
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
Auslassventiie 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 Druckluftquelie (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 Einlassventi! 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-Magnetventile.
Wie in den Figuren gezeigt, ist das Saugventil 11 in der Kolbenfläche des Kolbens 5 angeordnet und verbindet so den Arbeätsraum 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 Einiassventil 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 1 1 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
1. Gasexpansionsmotor (1 ), insbesondere Druckluftmotor, umfassend:
eine Druckgasquelle (2),
mindestens eine Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem Zylinder (4) und einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), wobei die
Koibenzylinderanordnung (3) ein elektronisch oder mechanisch
ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassveniii (10), das den Arbeitsraum (9) mit der
Umgebung verbindet, aufweist, sowie
eine elektronische oder mechanische Steuerung (12), die das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolben position elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
2. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Kolbenzyiinderanordnungen (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 Koibenzylinderanordnung (3) ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Einlassventil (8), das den Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und ein elektronisch oder mechanisch ansteuerbares Auslassventil (10), das den Arbeitsraum (9) mit der
Umgebung verbindet, aufweist, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung (12), die das Einlassventil (8) und das Auslassventil (10) in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
3. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
4. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventii (10) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
5. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Richtung auf den Arbeitsraum (9) öffnendes Rückschlagventil (1 1 ) vorgesehen ist, das bei einem im Arbeitsraum (9) gegenüber dem Umgebungsdruck herrschenden Unterdruck öffnet und den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet.
6. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (1 ) im Kolben (5) oder im Zylinder (4), insbesondere im Zyiinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4), angeordnet ist.
7. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Zylinder (4), insbesondere im
Zylinderkopfdeckel (13), eine Heizung (15) zum Erwärmen des
Arbeitsraumes (9) vorgesehen ist.
8. Gasexpansionsmotor 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.
9. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (18) im Zylinderkopfdeckel (13) des Zylinders (4) angeordnet ist.
10. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (4) mit einer Wärmeisolierung (16) oder mit Rippen versehen ist.
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