WO2017036941A1 - Gasexpansionsmotor und verfahren zum betreiben eines solchen gasexpansionsmotors - Google Patents

Gasexpansionsmotor und verfahren zum betreiben eines solchen gasexpansionsmotors Download PDF

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WO2017036941A1
WO2017036941A1 PCT/EP2016/070152 EP2016070152W WO2017036941A1 WO 2017036941 A1 WO2017036941 A1 WO 2017036941A1 EP 2016070152 W EP2016070152 W EP 2016070152W WO 2017036941 A1 WO2017036941 A1 WO 2017036941A1
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WO
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valve
piston
working space
dead center
pressure
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Application number
PCT/EP2016/070152
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English (en)
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Inventor
Ernst Beck
Original Assignee
Ernst Beck
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Classifications

    • 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
    • F01B25/08—Final actuators
    • F01B25/10—Arrangements or adaptations of working-fluid admission or discharge valves
    • 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

Definitions

  • the present invention relates both to a gas expansion engine, in particular compressed air motor, comprising a compressed gas source and at least one Koi cylinder arrangement with a cylinder, a piston guided therein slidably, an inlet valve which connects a working space of the cylinder with the compressed gas source in the one, first dead center of the piston , and an exhaust valve, which connects the working space with the environment in the other, second dead center of the piston, as well as a method for operating such a gas expansion engine.
  • a gas expansion engine is described, for example, by DE 10 2009 044
  • This known gas expansion engine comprises an electronically or mechanically controllable inlet valve, which connects the working space of the cylinder with the compressed gas source, and an electronically or mechanically controllable outlet valve, which connects the working space with the environment, and an electronic or mechanical control, the inlet valve and the outlet valve controlled electronically or mechanically as a function of the piston position.
  • the object of the present invention to further increase the efficiency in a gas expansion engine of the type mentioned.
  • This object is achieved in that when opening the inlet valve in the first dead center, the gas present in the working space through the piston to an overpressure which is higher than the ambient pressure and less than the pressure of the compressed gas source is compressed and that the inlet valve as a pressure relief valve which is open at the first dead center by a predetermined pressure in the working space, or is designed as a mechanically controlled valve which is open at first dead point, in order to connect the working space to the compressed gas source at the first dead center.
  • the gas expansion engine preferably comprises at least two piston cylinder arrangements, each with a cylinder, a piston displaceably guided therein, an inlet valve which connects a working space of the cylinder with the compressed gas source in one, first dead center of the piston, and an outlet valve, which in the other, second dead center of the piston connects the working space with the environment, the pistons At least partially in opposite directions are coupled to each other in movement, wherein upon opening of the intake valves at the first dead center, the gas present in the working space is compressed by the piston to an overpressure which is higher than the ambient pressure and less than the pressure of the compressed gas source, and wherein the inlet valves each as a pressure relief valve, which is open at the first dead center of a prevailing in the working space, predetermined pressure, or as a mechanically controlled valve, which is open at the first dead, is formed to connect the working space with the
  • the pressure-controlled inlet valve caused by opening the pressure-controlled inlet valve at top dead center pressure increase in the working space to an additional acceleration of the piston toward its bottom dead center and thus to improved efficiency of the gas expansion engine.
  • the previous pressure build-up in the working area causes the immediate response of the engine and allows high speeds.
  • the gas expansion engine according to the invention requires no electrical components and is therefore explosion-proof. Only a small amount of energy is required for the pre-compression in the working space, which takes place until the first dead center, which returns during the expansion. The cooling of the gas expansion engine is low because the fresh air supplied to the working space mixes with the compressed warm air of the working space.
  • the working space is preferably connected via a valve opening to an accumulator chamber connected to the compressed gas source in order to connect the working space to the higher pressure of the accumulator chamber when the inlet valve is open.
  • the accumulator chamber is many times larger than the working cavities at the first dead center and directly, so without intermediate supply lines, connected to the working space, so that no pressure drop occurs in the pressure accumulator space when pressure gas flows from the pressure accumulator space in the working space.
  • the inlet valve can be arranged in the working space, in a cylinder cover or, what is preferred, in the pressure storage space.
  • the inlet valve has a valve tappet which is displaceably guided in the pressure storage space against the action of a valve closing spring and which is opened in the first dead center by the overpressure prevailing in the working space or mechanically, eg by cams on the piston itself or by a camshaft.
  • the opening cross section, in particular the opening diameter, of the valve opening is preferably smaller than the front end side of the valve tappet closing the valve opening.
  • the outlet valve is a slide valve, which is formed by the piston and at least one cylinder jacket-side outlet opening, which is run over in the bottom dead center of the piston of the piston and thereby connects the working space with the environment.
  • the outlet valve can have a single cylinder jacket-side outlet opening or, which is preferred, a plurality of cylinder jacket-side outlet openings arranged at the same height.
  • a heater for heating the pressure storage space is provided to heat the compressed air in the pressure storage space.
  • the cylinder is arranged on a motor housing relative to the piston axially displaceable and lockable to the axial position of the cylinder relative to the piston, the volume of the working space at the first dead center and thus the time when the predetermined pressure reaches the opening of the inlet valve in the working space is to be able to adjust.
  • This change in the compression ratio results in earlier or later opening of the intake valve.
  • the invention also relates to a method for operating a gas expansion engine, in particular a compressed air motor, according to one of the preceding claims, with the following method steps:
  • FIGS. 1a, 1b a compressed air motor according to the invention with two oppositely coupled pistons each in its one dead center (Fig. 1a) and in its other dead center ( Figure 1 b).
  • FIG. 2 shows a detailed view of an inlet valve shown in FIG. 1, which is arranged between a working space of the piston and a pressure storage space, in the closed valve position;
  • Fig. 3 is a detail view of an alternative inlet valve, which is arranged between a working space of the piston and a pressure accumulator space, in the open valve position.
  • the one in Fign. 1a, 1b shown compressed air motor 1 has a Drucktuftsammlung (e.g., compressed air cylinder) 2 with e.g. 10 bar 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 two piston cylinder assemblies 3 are of identical construction and each comprise an inlet valve 8 which connects the cylinder or working chamber 9 of the cylinder 4 directly to an accumulator 10 (approximately 10 bar) connected to the pressurized gas source 2 and several cylinders arranged at the same height in the cylinder jacket
  • the outlet openings 1 1 are arranged at such a height that they are run over by the piston 5 only in the bottom dead center of the piston 5 and thus open into the working space 9 and the working space 9 with the environment, So connect with the atmosphere, as shown in Fig. 1 a for the right piston 5 and in Fig. 1 b for the left piston 5 is shown.
  • the outlet openings 1 1 together with the piston 5 designed as a slide valve outlet valve that connects the working space 9 with the atmosphere only in the bottom dead center of the piston 5.
  • the pressure accumulator space 10 is connected to the compressed air source 2 via an opening 12 and connected to the working space 9 via a valve opening 13 in the cylinder head cover 14.
  • the cylinder head cover 14 simultaneously forms a wall of the pressure accumulator space 10.
  • the inlet valve 8 is designed as an overpressure valve arranged in the pressure accumulator space 10, which valve opening 13 prevails in the case of a working chamber 9. the, predetermined overpressure (eg 5 bar) releases.
  • the inlet valve 13 comprises a valve tappet 15, which is sealed in the pressure storage chamber 10 in a guide sleeve 16 and guided against the action of a valve closing spring 17 slidably. 2, the valve tappet 15 closes the valve opening 13 with its one, front end side 15a.
  • the opening diameter d of the valve opening 13 is smaller than the diameter of the front end side 5a of the valve tappet 15 and thus represents the effective pressure diameter. on which the pressure prevailing in the working chamber 9 in the valve opening direction acts.
  • valve stem 15 acts atmospheric pressure. If the force acting on the valve stem 15 opening force due to a prevailing in working space 9 overpressure is greater than acting on the valve stem 15 closing force due to the valve closing spring 17 and 15 acting on the rear end face of the valve stem 15 atmospheric pressure, lifts the valve stem 15 of the Valve opening 13 from, and the inlet valve 8 opens.
  • the pressure storage chamber 10 may optionally be provided for heating the pressure accumulator chamber 10, a heating 18 to heat the compressed air in the accumulator chamber 10.
  • a heating 18 to heat the compressed air in the accumulator chamber 10.
  • volume and pressure of the compressed air are substantially larger, and more work can be done with less air, so that the efficiency of the air motor is further increased.
  • the cylinder 4 may be provided with ribs (not shown) to dissipate the cold generated during the expansion of the compressed air to the environment.
  • the operation of the compressed air motor 1 is described below with reference to the in Fig. 1 a, 1 b left piston cylinder assembly 3 described.
  • the workflow of the right piston cylinder assembly 3 is analog but offset in opposite directions.
  • the air present in the work chamber 9 is compressed to such an overpressure of, for example, 5 bar that the inlet valve 8 opens. Since the ruling in the accumulator chamber 10 high pressure (10 bar) is higher than the working space 9 prevailing pressure (5 bar), the high pressure compressed air flows from the accumulator chamber 10 in the working space (expansion space) 9 of the cylinder 4 a. This supplied pressure increase is converted into power of the compressed air motor 1. Due to the increasing with the downward movement of the piston 5 working space 9 (expansion phase) of the prevailing pressure in the working chamber 9 decreases, whereby the inlet valve 8 closes. Thereafter, the compressed air expands further and thereby displaces the piston 5 down to its bottom dead center.
  • the compressed air cools down during its expansion.
  • the piston 5 is offset via the swash plate 7, a drive shaft 19 together with a flywheel 20 in rotation.
  • the outlet openings 1 1 are run over by the piston 5 and now connect the working space 9 with the atmosphere, so that the pressure prevailing in the working space 9 overpressure is lowered to atmospheric pressure.
  • the piston-cylinder arrangement 3 is designed in such a way (eg via the volume of the working space 9 in the upper and lower dead point, the high pressure in the pressure storage space 10, the predetermined overpressure, etc.) that when the top dead center is reached, at least the opening of the inlet valve 8 required predetermined overpressure (eg 5 bar) prevails in the working chamber 9 and that when reaching the bottom dead center still an overpressure (eg 2 bar) prevails in the working space 9 and thus the piston 5 always reaches its bottom dead center.
  • predetermined overpressure eg 5 bar
  • 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.
  • the pistons 5 are also further driven by the flywheel 20 and can thus easily overcome their dead points during operation.
  • the pressure increase in the working space 9 caused by opening the inlet valve 8 at top dead center leads to an additional acceleration of the piston 5 in the direction of its bottom dead center and thus to an improved efficiency of the compressed air motor 1.
  • the higher the predetermined overpressure required for opening the inlet valve 8 The greater the gas density present in the working space 9 and the faster a pressure difference from the pressure storage chamber 10 is transmitted to the piston 5 as a pressure pulse.
  • the two pistons 5 can also be connected to each other and to the drive axle 19 by any other known coupling mechanism (for example crankshaft).
  • the cylinders 4 together with their intake valves 8 can be indicated only schematically here
  • Clamping device 23 are guided axially displaceably on the motor housing 21 and clamped in the desired position.
  • FIG. 3 shows an alternative mechanically controlled intake valve 8 ', in which the piston 5 has a cam pin 24, which projects through the valve opening 13 at top dead center and has lifted the valve tappet 15 from the cylinder head cover 14.

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Abstract

Bei einem Gasexpansionsmotor (1), insbesondere Druckluftmotor, der eine Druckgasquelle (2) und mindestens eine Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem Zylinder (4), einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), einem Einlassventil (8), welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens (5) einen Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und einem Auslassventil (5, 11), welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens (5) den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, umfasst, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Öffnen des Einlassventils (8) im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum (9) vorhandene Gas durch den Kolben (5) auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist, komprimiert ist und dass das Einlassventil (8) als ein Überdruckventil ausgebildet ist, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum (9) herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum (9) mit der Druckgasquelle (2) zu verbinden.

Description

Gasexpansionsmotor und Verfahren zum Betreiben eines solchen Gasexpansionsmotors
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl einen Gasexpansionsmotor, insbesondere Druckluftmotor, umfassend eine Druckgasquelle und mindestens eine Koi- benzylinderanordnung mit einem Zylinder, einem darin verschiebbar geführten Kolben, einem Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens einen Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, als auch ein Verfahren zum Betreiben ei- nes solchen Gasexpansionsmotors. Ein derartiger Gasexpansionsmotor ist beispielsweise durch die DE 10 2009 044
930 A1 bekannt geworden. Dieser bekannte Gasexpansionsmotor umfasst 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, sowie eine elektronische oder mechanische Steuerung, die das Einlassventil und das Auslassventil in Abhängigkeit von der Kolbenposition elektronisch bzw. mechanisch ansteuert.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Gasexpansionsmotor der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei Öffnen des Einlassventils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und dass das Einlassventil als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herr- sehenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil, welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum mit der Druckgasquelle zu verbinden.
Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Totpunkt des Kolbens nicht nur der exakte Totpunkt verstanden, sondern auch Abweichungen vom exakten Totpunkt von bis zu ± 10% des gesamten Kolbenhubs zwischen den beiden Totpunkten.
Bei nur einer einzigen Kolbenzylinderanordnung kann der erforderliche Rückhub des Kolbens beispielsweise durch die Schwungmasse des Motors erfolgen. Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor umfasst bevorzugt jedoch mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen mit jeweils einem Zylinder, einem darin verschiebbar geführten Kolben, einem Einlassventil, welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens einen Arbeitsraum des Zylinders mit der Druckgasquelle verbindet, und einem Auslassventil, welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet, wobei die Kolben zu- mindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind, wobei bei Öffnen der Einlassventile jeweils im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum vorhandene Gas durch den Kolben auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungs- druck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist, komprimiert ist und wobei die Einlassventile jeweils als ein Überdruckventil, welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil, welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im oberen Totpunkt den Arbeitsraum mit der Druckgasquelle zu verbinden.
Erfindungsgemäß führt die durch Öffnen des druckgesteuerten Einlassventils im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Gasexpansionsmotors. Je höher der im Arbeitsraum herrschende Druck bei Öffnen des Einlassventils bereits ist, desto größer ist die im Arbeitsraum vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum auf den Kolben als Druckimpuls übertragen. Der vorherige Druckaufbau im Arbeitsraum bewirkt das sofortige Ansprechen des Motors und ermöglicht hohe Drehzahlen.
Der erfindungsgemäße Gasexpansionsmotor benötigt keine elektrischen Bauteile und ist daher explosionssicher. Für die bis zum ersten Totpunkt stattfindende Vorverdichtung im Arbeitsraum ist nur eine geringe Energie notwendig, die bei der Expansion wieder zurückkommt. Die Abkühlung des Gasexpansionsmotors ist ge- ring, weil sich die dem Arbeitsraum neu zu geführte kalte Luft mit der komprimierten warmen Luft des Arbeitsraumes mischt.
Vorzugsweise ist der Arbeitsraum über eine Ventilöffnung, mit einem an die Druckgasquelle angeschlossenen Druckspeicherraum verbunden, um bei geöffne- tem Einlassventil den Arbeitsraum mit dem höheren Druck des Druckspeicherraums zu verbinden. Der Druckspeicherraum ist um ein Vielfaches größer als der Arbeits räum im ersten Totpunkt und unmittelbar, also ohne zwischengeschaltete Zuleitungen, mit dem Arbeitsraum verbunden, so dass im Druckspeicherraum kein Druckabfall auftritt, wenn Druckgas aus dem Druckspeicherraum in den Arbeits- räum abströmt. Das Einlassventil kann im Arbeitsraum, in einem Zylinderdeckel oder, was bevorzugt ist, im Druckspeicherraum angeordnet sein. Besonders vorteilhaft weist das Einlassventil einen Ventilstößel auf, der im Druckspeicherraum gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder verschiebbar geführt ist und der in dem ersten Totpunkt von dem im Arbeitsraum herrschenden Überdruck oder mechanisch, z.B. durch Nocken auf dem Kolben selbst oder von einer Nockenwelle, geöffnet wird. Bevorzugt ist dabei der Öffnungsquerschnitt, insbeson- dere Öffnungsdurchmesser, der Ventilöffnung kleiner als die die Ventilöffnung verschließende vordere Stirnseite des Ventilstößels. Für den Fall, dass die der Ventilöffnung abgewandte, hintere Stirnseite des Ventilstößels gegenüber dem Druckspeicherraum abgedichtet ist, kann auf die hintere Stirnseite des Ventilstößels nur Umgebungsdruck wirken, um die auf den Ventilstößel wirkende Ventilschließkraft möglichst klein zu halten.
Besonders vorteilhaft ist das Auslassventil ein Schieberventil, das durch den Kolben und mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung gebildet ist, welche in dem unteren Totpunkt des Kolbens von dem Kolben überfahren ist und dadurch den Arbeitsraum mit der Umgebung verbindet.
Das Auslassventil kann eine einzige zylindermantelseitige Auslassöffnung oder, was bevorzugt ist, mehrere auf gleicher Höhe angeordnete, zylindermantelseitige Auslassöffnungen aufweisen. Besonders vorteilhaft ist die mindestens eine zylin- dermantelseitige Auslassöffnung - z.B. als Lochhülse - am Zylinder axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position der Auslassöff- nung den Kompressionshub des Kolbens und damit den im ersten Totpunkt herrschen Überdruck im Arbeitsraum einstellen zu können. Vorzugsweise ist eine Heizung zum Erwärmen des Druckspeicherraumes vorgesehen, um die Druckluft im Druckspeicherraum 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. Besonders bevorzugt ist der Zylinder an einem Motorgehäuse gegenüber dem Kolben axial verschiebbar und feststellbar angeordnet, um über die axiale Position des Zylinders gegenüber dem Kolben das Volumen des Arbeitsraums im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum öffnen des Einlassventils im Arbeitsraum erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres öffnen des Einlassventtls.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Gasexpansionsmo- tors, insbesondere eines Druckluftmotor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
Komprimieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den ersten Totpunkt auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle ist,
- Verbinden des Arbeitsraums mit der Druckgasquelle durch druckgesteuertes oder mechanisch gesteuertes Öffnen des Einlassventils im oberen Totpunkt, Expandieren des im Arbeitsraum vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens bis in den zweiten Totpunkt, und
Verbinden des Arbeitsraums mit der Umgebung durch öffnen des Auslassven- tils im zweiten Totpunkt.
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. 1a, 1b einen erfindungsgemäßen Druckluftmotor mit zwei gegenläufig gekoppelten Kolben jeweils in ihrem einen Totpunkt (Fig. 1a) und in ihrem anderen Totpunkt (Fig. 1 b); und Fig. 2 eine Detailansicht eines in Fig. 1 gezeigten Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geschlossenen Ventilstellung; und
Fig. 3 eine Detailansicht eines alternativen Einlassventils, das zwischen einem Arbeitsraum des Kolbens und einem Druckspeicherraum angeordnet ist, in der geöffneten Ventilstellung.
Der in Fign. 1a, 1 b gezeigte Druckluftmotor 1 weist eine Drucktuftquelle (z.B. Druckluftflasche) 2 mit z.B. 10 bar 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 Einlassventil 8, das den Zylinder- oder Arbeitsraum 9 des Zylinders 4 unmittelbar mit einem an die Druckgasquelle 2 angeschlossenen Druckspeicherraum 10 (ca. 10 bar) verbindet, und mehrere im Zylindermantel auf gleicher Höhe angeordnete, vom Kolben 5 überfahrbare Auslassöffnungen 11. Die Auslassöffnungen 1 1 sind dabei auf solch einer Höhe angeordnet, dass sie nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 vom Kolben 5 überfahren sind und somit in den Arbeitsraum 9 münden und den Arbeitsraum 9 mit der Umgebung, also mit der Atmosphäre, verbinden, wie dies in Fig. 1 a für den rechten Kolben 5 und in Fig. 1 b für den linken Kolben 5 gezeigt ist. Die Auslassöffnungen 1 1 bilden zusammen mit dem Kolben 5 ein als Schieberventil ausgebildetes Auslassventil, das nur in dem unteren Totpunkt des Kolbens 5 den Arbeitsraum 9 mit der Atmosphäre verbindet.
Wie in Fig. 2 im Detail gezeigt, ist der Druckspeicherraum 10 über eine Öffnung 12 an die Druckluftquelle 2 angeschlossen und über eine Ventilöffnung 13 im Zylinderkopfdeckel 14 mit dem Arbeitsraum 9 verbunden. Der Zylinderkopfdeckel 14 bildet gleichzeitig eine Wand des Druckspeicherraums 10.
Das Einlassventil 8 ist als ein im Druckspeicherraum 10 angeordnetes Überdruck- ventil ausgeführt, das die Ventil Öffnung 13 bei einem im Arbeitsraum 9 herrschen- den, vorbestimmten Überdruck (z.B. 5 bar) freigibt. Das Einlassventil 13 umfasst einen Ventilstößel 15, der im Druckspeicherraum 10 in einer Führungshülse 16 abgedichtet und gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder 17 verschiebbar geführt ist. In der in Fig. 2 gezeigten geschlossenen Ventilstellung verschließt der Ventilstößel 15 mit seiner einen, vorderen Stirnseite 15a die Ventilöffnung 13. Der Öffnungsdurchmesser d der Ventilöffnung 13 ist kleiner als der Durchmesser der vorderen Stirnseite 5a des Ventilstößels 15 und stellt somit den wirksamen Druckdurchmesser dar, auf den der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck in Ventilöffnungsrichtung wirkt. Auf die andere, hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkt Atmosphärendruck. Wenn die auf den Ventilstößel 15 wirkende Öffnungskraft aufgrund eines im Arbeits räum 9 herrschenden Überdrucks größer ist als die auf den Ventilstößel 15 wirkende Schließkraft aufgrund der Ventilschließfeder 17 und aufgrund des auf die hintere Stirnseite 15b des Ventilstößels 15 wirkenden Atmosphärendrucks, hebt der Ventilstößel 15 von der Ventilöffnung 13 ab, und das Einlassventil 8 öffnet.
Im Druckspeicherraum 10 kann optional eine Heizung 18 zum Erwärmen des Druckspeicherraumes 10 vorgesehen sein, um die Druckluft im Druckspeicherraum 10 aufzuheizen. Dadurch werden Volumen und Druck der Druckluft wesent- lieh größer, und es kann mehr Arbeit bei weniger Luft geleistet werden, so dass der Wirkungsgrad des Druckluftmotors weiter erhöht wird. Auch kann der Zylinder 4 mit Rippen (nicht gezeigt) versehen sein, um die bei der Expansion der Druckluft erzeugte Kälte an die Umgebung abzuführen. Der Arbeitsablauf des Druckluftmotors 1 wird im Folgenden anhand der in Fign. 1 a, 1b linken Kolbenzylinderanordnung 3 beschrieben. Der Arbeitsablauf der rechten Kolbenzylinderanordnung 3 ist analog, aber gegenläufig versetzt.
In dem in Fig. 1 a gezeigten oberen Totpunkt des linken Kolbens 5 ist die im Ar- beitsraum 9 vorhandene Luft auf einen solchen Überdruck von z.B. 5 bar komprimiert, dass das Einlassventil 8 öffnet. Da der im Druckspeicherraum 10 herrschende Hochdruck (10 bar) höher ist als der im Arbeits räum 9 herrschende Überdruck (5 bar), strömt die unter Hochdruck stehende Druckluft aus dem Druckspeicherraum 10 in den Arbeitsraum (Expansionsraum) 9 des Zylinders 4 ein. Die- se zugeführte Druckerhöhung wird in Leistung des Druckluftmotors 1 umgesetzt. Aufgrund des sich mit der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 vergrößernden Arbeitsraums 9 (Expansionsphase) sinkt der im Arbeitsraum 9 herrschende Druck ab, wodurch das Einlassventil 8 schließt. Danach expandiert die Druckluft weiter und verschiebt dadurch den Kolben 5 nach unten bis in seinen unteren Totpunkt. Gleichzeitig kühlt sich die Druckluft bei ihrer Expansion ab. Der Kolben 5 versetzt über die Taumelscheibe 7 eine Antriebsachse 19 zusammen mit einem Schwungrad 20 in Rotation. In dem in Fig. 1 b gezeigten unteren Totpunkt des linken Kolbens 5 sind die Auslassöffnungen 1 1 vom Kolben 5 überfahren und verbinden nun den Arbeits räum 9 mit der Atmosphäre, so dass der im Arbeitsraum 9 herrschende Überdruck auf Atmosphärendruck abgesenkt wird. Die Kolbenzylinderanordnung 3 ist so ausgelegt (z.B. über das Volumen des Arbeitsraums 9 in dem oberen und unteren Tot- punkt, den Hochdruck im Druckspeicherraum 10, den vorbestimmten Überdruck, etc.), dass bei Erreichen des oberen Totpunkts mindestens der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck (z.B. 5 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und dass bei Erreichen des unteren Totpunkts noch ein Überdruck (z.B. 2 bar) im Arbeitsraum 9 herrscht und somit der Kolben 5 stets seinen unteren Tot- punkt erreicht.
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 Rück- Stellphase werden die Kolben 5 außerdem vom Schwungrad 20 weiter angetrieben und können so im Betrieb problemlos ihre Totpunkte überwinden.
Die durch öffnen des Einlassventils 8 im oberen Totpunkt bewirkte Druckerhöhung im Arbeitsraum 9 führt zu einer zusätzlichen Beschleunigung des Kolbens 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Druckluftmotors 1. Je höher der zum Öffnen des Einlassventils 8 erforderliche vorbestimmte Überdruck ist, desto größer ist die im Arbeitsraum 9 vorhandene Gasdichte und desto schneller wird eine Druckdifferenz aus dem Druckspeicherraum 10 auf den Kolben 5 als Druckimpuls übertragen. Je höher al- so der vorbestimmte Überdruck des Einlassventils 8 ist, desto schneller wird bei gleicher Druckdifferenz der Kolben 5 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt beschleunigt.
Statt der gezeigten Taumelscheibe 7 können die beiden Kolben 5 auch durch je- den anderen bekannten Kopplungsmechanismus (z.B. Kurbelwelle) miteinander und mit der Antriebsachse 19 verbunden sein.
Wie in Fig. 1 gezeigt, können die Zylinder 4 an einem Motorgehäuse 21 gegenüber dem Kolben axial verschiebbar (Doppelpfeil 22) und feststellbar angeordnet sein, um über die axiale Position der Zylinder 4 gegenüber den Kolben 5 das Volumen des Arbeitsraums 9 im ersten Totpunkt und somit den Zeitpunkt, wann der vorbestimmte Überdruck zum Öffnen der Einlassventile 8 im Arbeitsraum 9 erreicht ist, einstellen zu können. Diese Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ergibt ein früheres oder späteres öffnen des Einlassventils. Die Zylinder 4 samt ihren Einlassventilen 8 können über eine hier nur schematisch angedeutete
Klemmvorrichtung 23 am Motorgehäuse 21 axial verschiebbar geführt und in der gewünschten Position festgeklemmt werden.
Fig. 3 zeigt ein alternatives mechanisch gesteuertes Einlassventil 8', bei dem der Kolben 5 einen Nockenstift 24 aufweist, der im oberen Totpunkt durch die Ventilöffnung 13 hindurchragt und den Ventilstößel 15 von dem Zylinderkopfdeckel 14 abgehoben hat.

Claims

Patentansprüche
1. Gasexpansionsmotor (1 ), insbesondere Druckluftmotor, umfassend:
eine Druckgasquelle (2), und
mindestens eine Kolbenzylinderanordnung (3) mit einem Zylinder (4), einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), einem Einlassventil (8; 8'), welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens (5) einen Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und einem Auslassventil (5, 11 ), welches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens (5) den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei Öffnen des Einlassventils (8; 8') im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum (9) vorhandene Gas durch den Kolben (5) auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist, komprimiert ist und
dass das Einlassventil als ein Überdruckventil (8), welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum (9) herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil (8'), welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im ersten Totpunkt den Arbeitsraum (9) mit der Druckgasquelle (2) zu verbinden.
2. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens zwei Kolbenzylinderanordnungen (3) mit jeweils einem Zylinder (4), einem darin verschiebbar geführten Kolben (5), einem Einlassventil (8; 8'), welches in dem einen, ersten Totpunkt des Kolbens (5) einen Arbeitsraum (9) des Zylinders (4) mit der Druckgasquelle (2) verbindet, und einem Auslassventil (5, 1 1 ), weiches in dem anderen, zweiten Totpunkt des Kolbens (5) den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet, wobei die Kolben (5) zumindest teilweise gegenläufig miteinander bewegungsgekoppelt sind, wobei bei Öffnen der Einlassventile (8; 8') im ersten Totpunkt das im Arbeitsraum (9) vorhandene Gas durch den Kolben (5) auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist, komprimiert ist und wobei die Einlassventile jeweils als ein Überdruckventil (8), welches im ersten Totpunkt von einem im Arbeitsraum (9) herrschenden, vorbestimmten Überdruck geöffnet ist, oder als ein mechanisch gesteuertes Ventil (8'), welches im ersten Totpunkt geöffnet ist, ausgebildet ist, um im oberen Totpunkt den Arbeits räum (9) mit der Druckgasquelle (2) zu verbinden.
3. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (9) über eine Ventilöffnung (13) des Einlassventils (8; 8') mit einem an die Druckgasquelle (2) angeschlossenen Druckspeicherraum (10) verbunden ist, um bei geöffnetem Einlassventil (8; 8') den Arbeitsraum (9) mit dem höheren Druck des Druckspeicherraums (10) zu verbinden.
4. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8; 8') im Druckspeicherraum (10) angeordnet ist.
5. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (8; 8') einen Ventilstößel (15) aufweist, der gegen die Wirkung einer Ventilschließfeder (17) verschiebbar geführt ist und der im ersten Totpunkt von dem im Arbeitsraum (9) herrschenden Überdruck oder mechanisch geöffnet wird.
6. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt, insbesondere Öffnungsdurchmesser (d), der Ventilöffnung (13) kleiner ist als die die Ventilöffnung (13) verschließende vordere Stirnseite (15a) des Ventilstößels (15).
7. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf die der Ventilöffnung (13) abgewandte, hintere Stirnseite (15b) des Ventilstößels (15) Umgebungsdruck wirkt.
8. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil ein Schieberventil ist, das durch den Kolben (5) und mindestens eine zylindermantelseittge Auslassöffnung (1 1) gebildet ist, welche in dem zweiten Totpunkt des Kolbens (5) von dem Kolben (5) überfahren ist und dadurch den Arbeitsraum (9) mit der Umgebung verbindet.
9. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil mehrere auf gleicher Höhe angeordnete, zylindermantelseittge Auslassöffnungen (11 ) aufweist.
10. Gasexpansionsmotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zylindermantelseitige Auslassöffnung (1 1 ) am Zylinder (4) axial verschiebbar und feststellbar angeordnet ist.
1 1 . Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung (18) zum Erwärmen des Druckspeicherraumes (10) vorgesehen ist.
12. Gasexpansionsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (5) an einem Motorgehäuse (21 gegenüber dem Kolben (5) axial verschiebbar und feststellbar angeordnet ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines Gasexpansionsmotors (1), insbesondere eines Druckluftmotor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Komprimieren des im Arbeitsraum (9) vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens (5) bis in den ersten Totpunkt auf einen Überdruck, der höher als der Umgebungsdruck und kleiner als der Druck der Druckgasquelle (2) ist,
- Verbinden des Arbeitsraums (9) mit der Druckgasquelle (2) durch druckgesteuertes oder mechanisch gesteuertes Öffnen des Einlassventils (8) im oberen Totpunkt,
- Expandieren des im Arbeitsraum (9) vorhandenen Gases durch Hub des Kolbens (5) bis in den zweiten Totpunkt, und
- Verbinden des Arbeitsraums (9) mit der Umgebung durch Öffnen des Auslassventils (5, 1 1) im zweiten Totpunkt.
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