WO2023020798A1 - Zylinder-hubkolben-vorrichtung, druckluftmotor und fahrzeug - Google Patents

Zylinder-hubkolben-vorrichtung, druckluftmotor und fahrzeug Download PDF

Info

Publication number
WO2023020798A1
WO2023020798A1 PCT/EP2022/071063 EP2022071063W WO2023020798A1 WO 2023020798 A1 WO2023020798 A1 WO 2023020798A1 EP 2022071063 W EP2022071063 W EP 2022071063W WO 2023020798 A1 WO2023020798 A1 WO 2023020798A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
pressure chamber
pressure
cylinder
reciprocating
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/071063
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Pelz
Original Assignee
Peter Pelz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peter Pelz filed Critical Peter Pelz
Priority to CN202280056679.9A priority Critical patent/CN117916451A/zh
Publication of WO2023020798A1 publication Critical patent/WO2023020798A1/de

Links

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
    • 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
    • F01B1/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/10—Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with more than one main shaft, e.g. coupled to common output shaft
    • 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
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft
    • F01B9/026—Rigid connections between piston and rod; Oscillating pistons

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder-reciprocating device for an air motor, an air motor with such a cylinder-reciprocating device and a vehicle with such an air motor.
  • Heat engines include, for example, steam engines, steam turbines and all internal combustion engines.
  • a large proportion of today's internal combustion engines are reciprocating engines. Reciprocating engines work with a piston that is slidably arranged in a cylinder. In this variable cavity created in this way, part of the energy is extracted from a gaseous or liquid working medium through combustion. The expansion of the working medium during combustion causes the piston to move.
  • the piston is connected to a crankshaft via joints and a piston rod. The linear movement of the piston is translated into a rotary movement of the crankshaft.
  • the piston moves back and forth between two end positions within the cylinder. The end positions are referred to as first dead center and second dead center. The movement from one end position to the other end position is called a cycle.
  • crank drives are designed in such a way that the power strokes in the respective cylinders are offset to one another.
  • the unit consisting of the piston, piston rod and/or connecting rod, crankshaft and the joints in between is referred to as a crank drive, for example.
  • electric drive systems for vehicles have recently been further developed. However, these are extremely problematic in terms of the environment, among other things, in terms of production and disposal.
  • the present invention is based on the object of specifying components for an improved engine, an improved engine with such components, and an improved vehicle with an improved engine.
  • the core of the invention is to provide components for an efficient compressed air motor that can be used and operated flexibly and such a compressed air motor.
  • the cylinder-reciprocating device has one or more cylinder-reciprocating devices, which are preferably double-acting and can be filled or emptied with a pressure medium via preferably electric valves.
  • a plurality of cylinder-reciprocating piston devices can be flexibly connected to one another in such a compressed air motor.
  • the cylinder-reciprocating device has a hollow cylinder in which a piston can move up and down.
  • the hollow cylinder preferably has a cylindrical outer surface.
  • the hollow cylinder can also have other, for example, rectangular or oval-shaped outer lateral surfaces.
  • the inner lateral surface, through which the pressure chamber of the cylinder-reciprocating piston device is formed, is preferably always cylindrical.
  • the hollow cylinder is made, for example, from cast iron, aluminum, light metal alloys or plastics (due to the low operating temperatures).
  • the hollow cylinder can be in one piece or composed of several parts.
  • the inner lateral surface of the hollow cylinder and the outer lateral surface of the piston are matched or designed in such a way that the piston can be moved within the hollow cylinder in a pressure-tight manner.
  • the inner wall of the hollow cylinder forms a pressure space which is divided by the piston into a first pressure chamber and a second pressure chamber, which are separated from one another in a pressure-tight manner. With the movement of the piston, the volume of the first pressure chamber changes in the opposite direction to the volume of the second pressure chamber.
  • the inner wall of the hollow cylinder has at least one first pressure chamber opening and one second pressure chamber opening.
  • One or more pressure media can be fed into and discharged from the first or second pressure chamber opening via the first pressure chamber opening and the second pressure chamber opening.
  • the piston is made of aluminum or an aluminum alloy or plastic, for example.
  • the at least one first pressure chamber opening and the at least one second pressure chamber opening are designed in such a way that a pressure medium can be supplied or discharged through them via an electric valve into the first pressure chamber or into the second pressure chamber.
  • the at least one first pressure chamber opening and the at least one second pressure chamber opening can be a bore through the wall of the hollow cylinder.
  • the bore can have an internal thread, for example.
  • the internal thread can be designed in such a way that it can form a pressure-tight connection with an external thread of an electric valve, so that pressure medium can flow into the first or second pressure chamber only through the flow channel within the electric valve.
  • Electric valves preferably comprise a valve flow channel and a valve closure part.
  • the pressure medium to be controlled with the electric valve can flow through the valve flow channel.
  • the valve flow channel can be closed with the valve closure part and thus the flow path for the pressure medium is closed.
  • the valve flow channel has a minimum flow cross section, which preferably determines the maximum fluid flow through the valve. If there is no section (no throttle) with a smaller flow cross section in the flow channel starting from the pressure accumulator into the pressure chamber, the minimum flow cross section of the valve flow channel also determines the maximum fluid flow from the pressure accumulator into the pressure chamber.
  • the closed state of the valve preferably no pressure medium can flow through the valve flow channel.
  • the open state and the The closed state of the electric valve preferably refers to the fully (maximum) open state of the electric valve and the fully (maximum) closed state of the electric valve.
  • Electric valves within the meaning of this disclosure include all components that are used to shut off or control the flow of fluids (liquids or gases) and in which the actuation is (purely) electrical, for example via an electromagnet, an electric servomotor with gear drive , Worm drive, or a linear motor.
  • solenoid valves are to be understood as electric valves.
  • Valve closure parts can be designed, for example, as disks, cones, balls, needles or valve pistons, which, in conjunction with a corresponding valve seat, enable the flow channel to be sealed or closed.
  • a cylinder-reciprocating piston device preferably comprises at least two electric valves, preferably at least one electric valve for supplying or discharging pressure medium from the first pressure chamber and preferably at least one electric valve for supplying or discharging pressure medium from the include second pressure chamber.
  • a single multi-way valve can also be used.
  • valves results in a simpler, lighter design of the valves, together with their drives and controls, which is associated with less friction than, for example, mechanical valves. Furthermore, the degrees of freedom in adjustment and control are greater.
  • all fluid media can be subsumed under a pressure medium that can absorb energy that is supplied due to compression and storage in a pressure tank.
  • the pressure medium can preferably also be fed to a pressure chamber (first or second) or taken away from a pressure chamber, with the pressure medium being able to release at least part of the energy supplied by compression by expansion in the pressure chamber. Due to the expansion of the pressure medium in the pressure chamber, a pressure builds up in the pressure chamber, which pushes the piston can set in motion. No combustion/ignition is necessary to expand the pressure medium.
  • compressed air is a pressure medium within the meaning of the present disclosure.
  • ignitable gases or gas mixtures such as hydrogen or gasoline-air mixtures can also be used as the pressure medium.
  • the cylinder-reciprocating piston device preferably includes a spark plug for igniting the ignitable gas or gas mixture in the first pressure chamber or the second pressure chamber or in the first and second pressure chambers.
  • a drive motor With the compressed air motor, a drive motor is provided which is, for example, simple, compact, safe and versatile.
  • a drive motor with environmentally friendly drive energy is also provided.
  • the working medium air is available in unlimited quantities and can be used without overexploiting our resources. Hazardous waste, such as that found in today's lithium-ion batteries for electric drives, does not arise over the life cycle of the motor when compressed air is used as drive energy.
  • the compressed air when used as an energy carrier in a compressed air motor, the compressed air is only compressed without contamination. The compressed air emitted by a compressed air motor is therefore free of pollutants and can escape unfiltered, unchanged and quietly into the environment.
  • the compressed air motor can also be used in sensitive areas, for example, since no pollutants are produced and, depending on the design, no oil is required.
  • an air motor can be used to advantage in boats, hospitals, cold stores, airports and train stations or for vehicles in city traffic.
  • a compressed air tank can be charged, for example, by means of an electrically operated on-board compressor at any socket or at stationary compressed air stations.
  • the compressed air motor When used with compressed air, the compressed air motor is characterized by CO2-neutral operation with zero emissions.
  • the compressed air motor offers a simple and environmentally friendly drive in terms of production and disposal.
  • a compressed air motor is preferably modularly configurable and can therefore be flexibly adapted to different areas of application.
  • the cylinder-reciprocating devices of the air motor can be arranged in series or in parallel. Furthermore, different cylinder-piston devices can be combined. This allows the air motor to be specifically adapted to the respective performance requirement and the respective area of application.
  • the cylinder-reciprocating piston device(s) of the compressed air motor can (can) be operated both in the 1-stroke process and in the multi-stroke process, depending on the requirement or the operating situation. If necessary, different print media, also different from one another, can be used. High torques can be realized and the torque applied by the motor can be ideally adapted to the circumstances. For example, a compressed air engine with only one cylinder-reciprocating piston device can easily be equal to or superior to a conventional 4-cylinder 4-stroke engine in terms of performance due to the possibility of single-stroke operation. The production costs of such an air motor are low.
  • the air motor includes at least one cylinder reciprocating device according to this disclosure. Furthermore, the compressed air motor has a piston rod and a crankshaft. The crankshaft and the piston of the at least one cylinder-reciprocating piston device are coupled in such a way that a (linear) reciprocating movement of the piston is converted into a rotational movement of the crankshaft via the piston rod.
  • the piston rod runs through a piston rod opening in the inner wall of the hollow cylinder of the cylinder-reciprocating piston device.
  • the piston rod (the outer diameter of the piston rod) and the piston rod opening are preferably matched to one another in such a way that the corresponding pressure chamber, through which the piston rod runs, is sealed against the outside in a fluid-tight manner.
  • a fluid-tight seal can be achieved via seals/sealing rings in the piston rod opening.
  • the piston rod can extend outwards from the piston on one side through the first pressure chamber or the second pressure chamber, or alternatively also from the piston on both sides through the first pressure chamber and the second pressure chamber.
  • crank mechanism by way of example, consisting preferably of pistons, piston rods, connecting rods, crankshaft and connecting joints. It is preferred that the piston rod exerts a linear movement, so that a reliable seal from the pressure chamber of the cylinder-reciprocating piston device to the outside is realized can be. It is also possible to combine various different or identical crank drives with one another in a compressed air motor.
  • the cylinder-reciprocating device is double-acting. For this reason, the piston of the cylinder-reciprocating piston device can be pressurized either from one or from two opposite sides in a power output mode (motor mode). Depending on the power requirement, the mode of operation of the one or more cylinder-reciprocating piston devices of the compressed air motor can be flexibly adjusted.
  • the cylinder-reciprocating piston device can be operated in a pump mode (recuperation mode).
  • pump operation pressure can be applied to a pressure medium by the piston.
  • the piston is driven via a drive wheel or a crankshaft coupled to the drive wheel.
  • air at ambient pressure can be drawn into the first pressure chamber by the piston moving from the first end position to the second end position.
  • the electric valves of the first pressure chamber are preferably closed, so that the pressure medium in the first pressure chamber is compressed.
  • the compressed pressure medium is discharged from the first pressure chamber and can be stored in a pressure tank, for example.
  • Electric valves can be switched very quickly, variably and precisely. This means that short control times can be achieved with electric valves. Furthermore, the electric valves can be controlled specifically and independently of one another with the help of an electronic controller. This allows a high degree of flexibility in the operation of one or more cylinder-reciprocating devices in an air motor.
  • the compressed air motor can be designed as an opposed piston motor.
  • an opposed piston engine two pistons work in the same hollow cylinder and share a common pressure space in the center of the hollow cylinder.
  • one of the two pistons is connected to a first piston rod, which runs outwards through the top wall of the hollow cylinder.
  • the other of the two pistons is connected to a second piston rod which extends outwards through the bottom wall of the hollow cylinder.
  • a crankshaft is connected to each of the first piston rod and the second piston rod, which crankshaft converts the reciprocating movement of the respective piston rod into a rotational movement of the crankshaft. Accordingly, in such an engine, additional valves are provided in the side wall of the hollow cylinder in such a way that the common pressure chamber can be filled and emptied.
  • the essence of the invention is also to provide compressed air motors together with at least one pressure tank in a vehicle and to advantageously arrange these components in the vehicle.
  • a vehicle preferably has one or more compressed air motors and preferably one or more pressure tanks.
  • the pressure tanks are designed to store at least one pressure medium.
  • the pressure tanks can be in communication with one another (in series or in parallel or in combination) or, in particular when different pressure media are used or different pressures in the respective tanks, not in communication with one another.
  • multiple pressure tanks can also be used for different print media.
  • a large compressed air tank or alternatively several small compressed air tanks can be used.
  • a separate pressure tank for separate storage of the pumped medium can also be provided for a recuperation function.
  • a vehicle according to this disclosure can also use different pressure media for the same air motors.
  • a compressed air motor can initially be operated with compressed air and, if necessary, switched over to operation with hydrogen, for example.
  • a vehicle according to this disclosure can also have multiple compressed air motors, each with its own pressure medium that differs from one another operate.
  • a vehicle according to this disclosure may include an air engine configured to operate on compressed air and an air engine configured to operate on hydrogen, for example.
  • a vehicle is a very light, energy-efficient vehicle that can be driven flexibly. Due to the flexible operation of the cylinder-reciprocating devices of a compressed air motor, drive train components such as gears and differentials can be dispensed with. As a result, vehicles can be realized with a very low weight compared to, for example, classic internal combustion engines. Due to the minimal number of drive train components, the drive train of a vehicle is very robust and extremely low-maintenance.
  • the pressure tank which is designed to be torsionally rigid, can serve as a support for the vehicle body.
  • the compact design of the air motors allows the arrangement of several air motors in the vehicle. For example, each drive wheel can have its own air motor.
  • the individual compressed air motors can also be attached to the compressed air tank.
  • the compact design of the compressed air motor and the possibility of doing without axle drive components such as gearboxes and differentials make it possible to flexibly implement many engine variants and optimally adapt the vehicle's drive to the vehicle's area of application.
  • Vehicle is also characterized by the fact that it is very safe because the pressure tank is explosion-proof and non-flammable.
  • an accelerator pedal and/or a brake pedal can be coupled to the controller of the one or more compressed air motors in such a way that the states of the electric valves (and thus the supply and exhaust and the stopping of the supply of compressed air to each of the one or more cylinder-reciprocating devices) can be controlled as required (power and speed).
  • the following four operating states for the states of electric valves of at least one cylinder-reciprocating device depending on the position of the accelerator pedal, the brake pedal and the speed of the vehicle can be implemented using the controller.
  • a first operating state can occur, for example, when the gas pedal and the brake pedal are not actuated and the vehicle is stationary.
  • the first operating state for example, all electric valves of a cylinder-reciprocating device are closed.
  • the cylinder-reciprocating piston device thus neither delivers power (motor operation) nor does it supply energy to a pressure medium (pump operation).
  • the vehicle is preferably in parking mode.
  • a second operating state can occur, for example, when the gas pedal and the brake pedal are not actuated and the vehicle is moving.
  • the second operating state for example, all the electric valves of at least one cylinder-reciprocating piston device are closed.
  • a freewheel is preferably switched on/available, which can decouple the crankshaft, which is coupled to the at least one cylinder-reciprocating piston device, and the drive wheel, which is coupled to this crankshaft, so that the drive wheel rotates when the freewheel is switched on and the piston of the cylinder-reciprocating piston device is preferably at a standstill at the same time.
  • the vehicle is preferably in free-rolling mode (freewheeling mode).
  • a third operating state can occur, for example, when the gas pedal is not actuated but the brake pedal is actuated and the vehicle is moving.
  • a cylinder-piston device works in recuperation mode (pump mode).
  • recuperation mode the electric valves of a cylinder-reciprocating-piston device are preferably switched in such a way that a pressure medium at ambient pressure is first sucked into the first or second pressure chamber, for example by the downward movement of the piston of the cylinder-reciprocating-piston device, and then through the opposite movement of the piston, here upward movement, is compressed in the corresponding pressure chamber and then discharged from the pressure chamber into the same or another pressure tank.
  • recuperation mode when braking can extend the range, since the cylinder-piston advance direction, a pressure medium is first pressurized and the pressurized pressure medium can then be used as pressure medium for loading the piston of a cylinder-reciprocating device (motor operation).
  • the first pressure chamber of a cylinder-reciprocating device can be connected both to a first pressure tank and to a second pressure tank.
  • the first pressure tank is preferably connected to the first pressure chamber in such a way that the pressure medium can be supplied from the first pressure tank to the first pressure chamber via an electric valve.
  • the second pressure tank is preferably connected to the first pressure chamber in such a way that the pressure medium can be supplied from the second pressure tank to the first pressure chamber via an electric valve.
  • the second pressure tank is, for example, a tank that is designed for storing pressure medium that has been compressed by recuperation.
  • the cylinder-piston device can be operated either with the first pressure tank or with the second pressure tank.
  • an electrical 3-way valve can be present, via which the pressure medium from the first pressure tank or the pressure medium from the second pressure tank can be supplied to the first pressure chamber as desired.
  • the second pressure tank is also preferably designed in such a way that it can receive and store a pressure medium that has been compressed by the piston in the cylinder-reciprocating piston device.
  • the pressure medium stored in the second pressure tank can have a lower pressure than the pressure medium from the first pressure tank.
  • the pressure medium from the second pressure tank can then be retrieved, for example, when the vehicle's power requirement is low.
  • Such a second pressure tank can also be present independently of the recuperation function.
  • a fourth operating state can occur, for example, when the gas pedal is actuated and the brake pedal is not actuated.
  • the vehicle can stand still or move. It can therefore be a matter of starting or accelerating.
  • the one or more cylinder-reciprocating piston devices are filled with the pressure medium via electric valves or the pressure medium is discharged from them.
  • full-load operation for example, all cylinder-reciprocating devices of the one or more compressed air motors of the vehicle can be switched on become.
  • pressure medium can only be supplied to or removed from individual cylinder-reciprocating piston devices.
  • work can be carried out in 1-cycle mode or in multi-cycle mode.
  • a vehicle according to this disclosure is characterized by an extremely high degree of flexibility in the arrangement and design of the pressure tanks and the compressed air motors. Due to the flexible design of cylinder-reciprocating piston devices of each compressed air motor, further components of a classic drive train, such as gears and differentials, etc., can preferably be dispensed with.
  • an adaptation of the vehicle speed of the vehicle can be realized by using several drive wheels with different diameters.
  • a compressed air motor is preferably connected to a large drive wheel of the vehicle and a compressed air motor is connected to a smaller drive wheel of the vehicle. If high speeds are to be achieved, the compressed air motor of the large drive wheel can be switched on and the compressed air motor of the smaller drive wheel switched off or an additional freewheel can be switched between the compressed air motor of the smaller drive wheel and the smaller drive wheel. Conversely, at low speeds, only the compressed air motor for the smaller drive wheel is switched on and the compressed air motor for the large drive wheel is switched off or decoupled via a freewheel. If high speeds are to be achieved, the compressed air motor of the large drive wheel can be switched on. If both compressed air motors rotate at the same maximum speed, a higher vehicle speed can be achieved due to the larger diameter of the large drive wheel compared to the smaller drive wheel.
  • the piston stroke of the cylinder-reciprocating piston device is smaller than the outer diameter of the piston.
  • the piston stroke is the path that the piston travels between the first end position and the second end position.
  • the piston outside diameter is the outside diameter of the (cylindrical ric) piston, which is matched to the hollow cylinder in such a way that the piston can be moved in a pressure-tight manner in the hollow cylinder.
  • the outer diameter of the piston is therefore the maximum diameter of the piston.
  • the cylinder-piston lifting device is a Kurzhuber.
  • Cylinder-stroke piston devices in which the piston stroke is greater than the piston outer diameter, there is more space for larger valves in the top wall or bottom wall of the hollow cylinder with a short-stroke device. This allows a higher pressure medium throughput and thus more torque and power.
  • An air motor with such a cylinder-reciprocating piston device can be made very compact with high performance.
  • the cylinder-reciprocating piston device has a first dead space volume when the piston is in the first end position, which is less than 30%, preferably less than 15%, more preferably less than 5%, more preferably less than 2 5%, more preferably less than 1% of the first displacement volume. And the cylinder-reciprocating piston device has a second dead space volume when the piston is in the second end position, which is less than 30%, preferably less than 15%, more preferably less than 5%, more preferably less than 2.5%, more preferably is less than 1% of the second cubic capacity.
  • the first displacement volume is determined from the piston stroke and the effective cross-sectional area of the piston in relation to the first pressure chamber.
  • the second displacement volume is determined from the piston stroke and the effective cross-sectional area of the piston in relation to the second pressure chamber.
  • the effective cross-sectional area of the piston is that area of the piston which faces the top wall or the bottom wall and delimits the first pressure chamber at the bottom or the second pressure chamber at the top.
  • the effective cross-sectional area results from the projection of the surface of the piston facing the top wall or the bottom wall onto a surface perpendicular to the direction of movement of the piston. Accordingly, the area to which a piston rod is connected is not in the effective transverse cut surface included. From a simplified perspective, the effective cross-sectional area results from the cross-sectional area of the piston (including any sealing rings) minus the cross-sectional area of the piston rod, if present.
  • the first dead space volume is the volume between the piston in the first end position and the electric valves in the closed position, via which the first pressure medium can be fed into and/or drained from the first pressure chamber.
  • the electric valves use the valve plug, which is in the closed state, as a reference.
  • the first dead space volume is thus formed on the one hand by the volume of the first pressure chamber when the piston is in the first end position.
  • the first dead space volume is formed by the volume that can be filled with the pressure medium, which is between the valve closure part of the at least one electric valve in the closed state, via which the first pressure medium can be fed into and/or drained from the first pressure chamber, and the first pressure chamber is trained.
  • the latter can also be referred to as the valve channel volume facing the pressure chamber.
  • the second dead space volume is understood to mean the volume that is located between the piston located in the second end position and the electric valves via which the second pressure medium can be fed into and/or drained from the second pressure chamber.
  • the electric valves use the valve plug, which is in the closed state, as a reference.
  • the second dead space volume is thus formed on the one hand by the volume of the second pressure chamber when the piston is in the first end position.
  • the second dead space volume is formed by the volume that can be filled with the pressure medium, which is formed between the valve closure part of the at least one electric valve in the closed state, via which the second pressure medium can be fed into and/or drained from the first pressure chamber, and the second pressure chamber is.
  • the latter can also be referred to as the valve channel volume facing the pressure chamber.
  • the dead space volume thus refers to a state of the cylinder-reciprocating piston device in which all electric valves for the inlet and outlet of the pressure medium are closed in the first and the second pressure chamber and the piston is either in the first end position or the second end position.
  • Such an operating state can be, for example, the state of the electric valves when the vehicle is stationary.
  • the Response of the piston is positively influenced.
  • the medium introduced into the first pressure chamber or second pressure chamber applies a pressure force, which corresponds to the pressure of the pressure medium, to the piston after a very short time. Compared to larger dead spaces, prior compression of the gas in the dead spaces is not necessary.
  • the at least one first pressure chamber opening is arranged in the top wall and the at least one second pressure chamber opening is arranged in the bottom wall.
  • Such an arrangement of the at least one first pressure chamber opening and the at least one second pressure chamber opening makes it possible to bring the piston into close proximity to or contact with the top wall or the bottom wall.
  • the piston cannot close any of the at least one first pressure chamber opening or the at least second pressure chamber opening in the radial direction, since these are arranged in the bottom wall or the top wall.
  • the piston In the case of openings arranged in the lateral surface of the inner wall of the hollow cylinder, the piston must not completely block the openings for reliable supply or removal of the pressure medium from the pressure chamber. Therefore, the piston cannot be placed in close proximity or in abutment with the bottom wall or the top wall.
  • the efficiency of the cylinder-reciprocating piston device can be reduced if the piston has the at least one first pressure chamber opening tion or blocked at least one second pressure chamber opening.
  • the proportion of the dead space volume which is determined by the first pressure chamber or the second pressure chamber when the piston is in the end position, can be kept to a minimum.
  • the cylinder-reciprocating piston device is designed as a short-stroke device
  • Smaller electric valves are characterized by very short switching times, for example. With large valves, for example, a high volume flow can be achieved through the valve.
  • each of the plurality of pressure chamber openings (for the first and the second pressure chamber and for the supply and discharge of pressure medium) is preferably assigned its own electric valve.
  • the number of electrical valves therefore corresponds to the sum of all pressure chamber openings for the supply and discharge of pressure medium into the first and into the second pressure chamber.
  • Such an arrangement or assignment of electric valves allows the electric valves to be arranged very close to the first pressure chamber or the second pressure chamber, since each pressure chamber opening has its own electric valve for supplying or removing pressure medium. Accordingly, a very small dead space volume can be realized. Furthermore, by means of such an assignment, the inlet or the outlet of pressure medium into the first or into the second pressure chamber can be controlled separately from one another. This results in maximum flexibility and thus a high degree of adaptability of the power of the engine to the respective operating condition or the respective load situation and/or power requirement in the respective operating situation.
  • electric valves with a relatively large minimum flow area in relation to the effective cross-sectional area of the piston are used.
  • the cross-sectional areas of the other flow paths between the pressure tank, which carries the pressure medium for the cylinders, are includes cylinder-reciprocating device, and the corresponding cylinder-reciprocating device each greater than the minimum flow area of the valve.
  • the minimum flow cross section of the valve is therefore preferably also the minimum flow cross section of the other flow paths between the pressure tank and the cylinder-reciprocating piston device.
  • the pressure medium that is discharged from the first pressure chamber or the second pressure chamber is compressed to a lesser extent during power output operation (motor operation) than the pressure medium that enters the first pressure chamber or the second pressure chamber.
  • the sum of the minimum flow cross sections of the electric valves that are responsible for letting out the pressure medium in relation to the electric valves that are responsible for letting in Pressure medium are responsible, preferably increased.
  • the cylinder-reciprocating piston device has at least two inlet first pressure chamber openings and at least two outlet first pressure chamber openings. Furthermore or alternatively, the cylinder-reciprocating piston device has at least two inlet second pressure chamber openings and at least two outlet second pressure chamber openings.
  • the at least two first pressure chamber openings (inlet and outlet) and the at least two second pressure chamber openings (inlet and outlet) are preferably arranged symmetrically in relation to the axis of rotation of the pressure chamber.
  • first or second pressure chamber openings By using a plurality of first or second pressure chamber openings, the quantity of pressure medium supplied to the pressure chamber can be increased. If, according to an exemplary embodiment, each opening of the first or second pressure chamber openings has its own electric valve, all or only a number of the openings can be opened with the help of the controller and an individual activation of the electric valves. The amount of pressure medium supplied to the pressure chamber can thus be flexibly adjusted with the aid of the controller.
  • the cylinder-reciprocating piston device preferably has a pressure sensor for measuring a pressure and/or a temperature sensor for measuring a temperature. Only one pressure sensor is preferably provided in the first pressure chamber or the second pressure chamber. Alternatively, a pressure sensor may be provided in each of the first pressure chamber and the second pressure chamber. Only one temperature sensor is preferably provided in the first pressure chamber or second pressure chamber. Alternatively, a temperature sensor may be provided in each of the first pressure chamber and the second pressure chamber. Alternatively, further sensors can be provided in one of the first and second pressure chambers or in each of the first and second pressure chambers.
  • the compressed air motor has at least one pressure regulator.
  • a pressure regulator is preferably arranged between the respective pressure tank, in which the respective pressure medium for a respective cylinder-reciprocating device is located, and the corresponding cylinder-reciprocating device.
  • a plurality of pressure regulators in the form of reducing valves can be provided as pressure reducing stages. possibly additional intermediate pressure tanks are also provided. According to this embodiment, it is possible, for example, to increase or decrease the pressure of the pressure medium flowing from the pressure tank to the pressure regulator using the pressure regulator and then to supply it to the cylinder-reciprocating piston device.
  • the pressure of the pressure medium influences the power output of the cylinder-reciprocating device, since at high pressure more force can be exerted on the piston of the cylinder-reciprocating device.
  • the pressure regulator preferably has different outlet lines (outlet flow paths) in which the pressure of the pressure medium can differ.
  • a pressure medium with different pressures regulated by the pressure regulator can be supplied to a plurality of cylinder-reciprocating piston devices. According to this design, there is a very high degree of flexibility for the operation of the individual cylinder-reciprocating piston devices of a compressed air motor.
  • the pressure in each of the first pressure chambers and the second pressure chambers can be set individually, preferably in the case of a compressed air motor with a plurality of cylinder-reciprocating piston devices.
  • the compressed air motor has a rotational angle sensor for detecting the rotational position of the crankshaft.
  • the compressed air motor according to claim 12 has a controller.
  • the controller is an electronic controller.
  • the several electric valves of the cylinder-reciprocating piston device can be controlled, for example, in such a way that the cylinder-reciprocating piston device can optionally be switched between in a 1-stroke operation, in which the piston is pressurized with each movement between the end positions is, or in a multi-stroke operation, in which the piston is not pressurized in individual movements between the end positions, work, is switchable
  • the controller is configured to control the electric valves of the one or more cylinder reciprocating devices, i. H. to open and close.
  • the controller can use this input variable to determine the position of the pistons that are connected to the corresponding crankshaft on which the angle of rotation sensor is located.
  • the controller can be designed such that a crankshaft rotation angle of 0° or 360° corresponds to a piston position in the first end position and a rotation angle of 180° corresponds to a piston position in the second end position.
  • control of the electric valves is described by way of example for the case in which the electric valves are opened or closed precisely when the piston is in the first end position or in the second end position.
  • opening/closing can take place at any other time, depending on the load situation.
  • the controller recognizes that the piston is in the first end position and opens the electric valve, via which the first pressure medium can be fed into the first pressure chamber, and closes the electric valve, via which the first pressure medium can be fed out of the first pressure chamber can be discharged. Furthermore, the controller opens the electric valve via which the second pressure medium can be discharged from the second pressure chamber and closes the electric valve via which the second pressure medium can be fed into the second pressure chamber.
  • the first pressure medium is supplied to the first pressure chamber, the first pressure medium builds up pressure in the first pressure chamber and thus pushes the piston from the first end position towards the second end position of the piston. The piston then reaches the second end position.
  • the controller recognizes that the piston is in the second end position and, when the piston is in the second end position, opens and closes the electric valve, via which the second pressure medium can be fed into the second pressure chamber the electric valve via which the second pressure medium can be discharged from the second pressure chamber. Furthermore, the controller opens the electric valve, via which the first pressure medium can be discharged from the first pressure chamber, and closes the electric valve, via which the first pressure medium can be fed into the first pressure chamber.
  • the electric valves can also be controlled by the control, preferably in a manner deviating from the manner outlined above, in which the electric valves are opened and closed precisely at a crank angle of 0°/180°/360° or exactly in the first end position or in the second end position takes place, open and close.
  • the electric valve, via which the first pressure medium can be fed into the first pressure chamber can already be opened, and the electric valve, via which the first pressure medium can be fed out of the first Pressure chamber can be removed, already closed before the piston reaches the first end position, preferably at a rotation angle of the crankshaft of 330°-359°, more preferably of 345°-355°.
  • a crankshaft rotation angle of 0°/360° corresponds to the position of the piston in the first end position.
  • a crankshaft rotation angle of 180° corresponds to the position of the piston in the second end position.
  • the electric valve via which the second pressure medium can be fed into the second pressure chamber, is already closed and the electric valve til, via which the second pressure medium can be drained from the second pressure chamber, is already open before the piston reaches the first end position, preferably at 330°-359°, more preferably at 345°-355°.
  • the piston preferably moves (immediately after the above-described manner of opening and closing the electric valves) into the first end position (360° crankshaft rotation angle) due to the inertia of the entire crank mechanism of which the piston is a part. If the piston is then in the first end position, a higher pressure acts immediately on the piston, which pushes it back to its second end position, compared to a case in which the electric valves open and close at 360°.
  • control times for the first end position are preferably also adjusted.
  • the control times for the second end position there is correspondingly a control point in time for the opening or closing of the electric valves at preferably 150°-179°, more preferably at 165°-175°. This control time is before the second end position of the piston when it moves from the first end position to the second end position.
  • the electric valve, via which the second pressure medium can be fed into the second pressure chamber, and the electric valve, via which the first pressure medium can be discharged from the first pressure chamber are opened.
  • the electric valve, via which the second pressure medium can be discharged from the second pressure chamber, and the electric valve, via which the first pressure medium can be fed into the first pressure chamber are closed.
  • the control is preferably supplied with voltage via an energy source of the vehicle.
  • the controller may be in control communication with each one of the multiple cylinder reciprocating devices to independently open and close each one of the electric valves of the multiple cylinder reciprocating devices. In this way, a very wide range of applications and great flexibility of the air motor can be realized.
  • control times can be set so variably that the times for opening and closing the electric valves differ from one another in order to achieve the lowest consumption with the best to realize power output.
  • control times can be variably changed or adjusted during operation.
  • the electric valve via which the pressure medium can be fed into the first pressure chamber, can be positioned at a crankshaft rotation angle of 330°-359°, more preferably at 345°-355° are opened and the electric valve, via which the pressure medium can be discharged from the first pressure chamber, is then closed offset by a crankshaft rotation angle in the range of 0.11° to 10°, preferably 1° to 7° crankshaft rotation angle.
  • the electric valve via which the pressure medium can be fed into the first pressure chamber, could be opened at a crankshaft rotation angle of 355° and the electric valve, via which the pressure medium can be discharged from the first pressure chamber, could be offset by 1° crankshaft rotation angle thereafter, i.e. at 356° crankshaft rotation angle can be closed.
  • a cylinder-reciprocating device can be operated in a 1-stroke operation or a multi-stroke operation.
  • a pressure medium is always supplied alternately to the first pressure chamber in order to press the piston in the direction of the second end position, and a pressure medium is supplied to the second pressure chamber in order to press the piston from the second end position back into the first end position.
  • the piston In a multi-stroke operation, on the other hand, the piston is not pressurized with every stroke.
  • the electric valve via which the second pressure medium is discharged from the second pressure chamber, can always be open, so that ambient pressure prevails in the second pressure chamber. Accordingly, no pressure medium is supplied to the second pressure chamber.
  • pressure medium is supplied to the first pressure chamber. The pressure medium is thus fed into the first pressure chamber with every second stroke movement of the piston.
  • this example involves multi-cycle operation, namely time cycle operation of the cylinder-reciprocating piston device.
  • the direction of rotation of the crankshaft can be reversed using the controller.
  • the controller When the vehicle is at a standstill, the controller preferably recognizes the position (crankshaft rotation angle) in which the crankshaft is located.
  • the controller can control the electric valves in such a way that either pressure medium is first fed into the first pressure chamber or pressure medium is first fed into the second pressure chamber.
  • the piston can be moved up or down from the standstill position.
  • the crankshaft rotates clockwise or counterclockwise. This corresponds to driving the vehicle forwards or backwards.
  • At least two of the cylinder lifting piston devices have a common piston rod which is connected to each of the pistons of the lifting devices.
  • cylinder-reciprocating devices are connected in series.
  • the pistons of the at least two cylinder-piston devices are connected to the same piston rod, so that the pistons move up and down synchronously.
  • the lifting heights of the at least two cylinder-piston devices are correspondingly identical.
  • the stroke volume can differ, for example, due to the different outside diameters of the respective pistons of the at least two cylinder-reciprocating piston devices.
  • the pistons of the at least two cylinder-reciprocating piston devices jointly press the piston rod downwards or upwards.
  • the piston rod is connected to a crankshaft.
  • the at least two of the cylinder-reciprocating piston devices can be the same or differ, for example in relation to the effective cross-sectional area of the pistons.
  • the at least two cylinder-reciprocating devices can be arranged on the same side or on opposite sides with respect to the connection of the crankshaft and piston rod.
  • the compressed air motor has at least two of the cylinder-reciprocating piston devices, each with a piston rod. Each piston rod is connected to the same crankshaft. According to this embodiment, several cylinder-reciprocating piston devices are connected in parallel with one another.
  • the lifting height can be different in parallel cylinder-reciprocating devices. Greater lifting heights can be achieved, for example, by making the crank arms of the common crankshaft, to which the respective piston rod is connected, longer, so that the connection between the piston rod and crank arm is radially further away from the axis of rotation of the crankshaft than with a short crank arm. For half a revolution of the crankshaft, the longer crank arm results in a larger stroke of the piston rod. In this way, different strokes of cylinder-reciprocating piston devices can be realized with a crankshaft and different crank arms.
  • the compressed air motor can be constructed in the form of a radial engine, boxer engine, opposed-piston engine, V-engine, etc.
  • the multiple cylinder-reciprocating devices are arranged radially around the crankshaft.
  • the at least two cylinder-reciprocating piston devices and/or the piston rods and/or the crank arms of the crankshaft to which the piston rods are connected are designed differently.
  • the at least two cylinder-reciprocating piston devices can be provided with different displacements and/or stroke heights.
  • the effective cross-sectional areas in particular the outer diameter of the piston
  • the lifting heights can differ, for example, due to crank arms of different lengths of the common crankshaft, at the end of which the piston rod is connected to the crankshaft.
  • the pressure of the first and/or second pressure medium for each first and second pressure chamber of the at least two of the cylinder-reciprocating piston devices can be adjusted independently of one another.
  • the at least two of the cylinder-piston devices can be switched off independently of one another.
  • they can preferably also be filled with different media and/or different pressures.
  • the pressure in each pressure chamber can be set using a pressure regulator located between the first or second pressure chamber and the pressure tank.
  • the cylinder-reciprocating piston device can optionally be operated in multi-cycle operation with only the first pressure medium or only with the second pressure medium.
  • a cylinder-reciprocating piston device can be optionally switched off. Switched off means, for example, that the electric valves of the corresponding cylinder-reciprocating device remain closed and no pressure medium is supplied to the cylinder-reciprocating device.
  • the first pressure media of the at least two of the cylinder-reciprocating devices are at least partially different from one another.
  • the cylinder-reciprocating piston devices can be connected to different pressure tanks or to different areas of a pressure tank to be connected.
  • the second pressure media of the at least two of the cylinder-reciprocating piston devices are at least partially different from one another.
  • Such an embodiment offers high flexibility of the print media used, which can be changed depending on availability and flash or purpose.
  • the controller controls the multiple electric valves of multiple cylinder-reciprocating devices in such a way that at least two of the cylinder-reciprocating devices work with different cycles and/or with different pressure differences between the first and second pressure chambers in the first and second end position work and / or can be switched off independently.
  • the controller determines the control times of the multiple electric valves depending on a load situation.
  • the load situation also results, for example, from the load request (accelerator pedal), pressure and speed.
  • Control times are the points in time at which the valve closure parts open the valve flow channels of the electric valves for supplying or discharging the first or second pressure medium into the first or second pressure chamber.
  • the adjustment of the control times allows an increase in engine efficiency, depending on the respective load behavior. This increase can translate into power and torque gains and fuel savings.
  • the piston rod is linearly guided and then connected to the crankshaft via a connecting rod. According to this embodiment, it is ensured that the pressure chamber can be reliably sealed off from the outside. A reliable seal is possible due to the purely linear up and down movement of the piston rod. Any possible spa operation that realizes a linear up and down movement of the piston rod can preferably be used.
  • the at least one pressure tank serves as a support for the vehicle body and/or the chassis. The at least one pressure tank can be formed integrally by supporting body components and/or as a centrally running spar.
  • the pressure tank serves on the one hand to store the pressure medium and at the same time also serves as a carrier for the vehicle body.
  • the pressure tank can also be formed integrally by body components.
  • a large pressure tank can be arranged, for example, centrally in the longitudinal direction of the vehicle.
  • several smaller pressure tanks can also be arranged.
  • one or more pressure tanks can be carried along, for example, in a trailer or the like.
  • Multiple air motors can be used on a vehicle.
  • the multiple air motors can be located at different locations in the vehicle. Several can also be arranged in a common housing.
  • the vehicle has a freewheel.
  • the freewheel With the freewheel, the power flow between a compressed air motor and a drive wheel can be interrupted, so that the compressed air motor can be switched off while the vehicle is in motion.
  • the freewheel can be designed in such a way that it can be switched on both when the vehicle is moving forwards and when the vehicle is moving backwards and accordingly allows the compressed air motor to be switched off both when the vehicle is moving forwards and when it is reversing.
  • the freewheel can also be equipped with a step-up or step-down, which can also be switched as an option.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a cylinder stroke kolb en- device according to a first embodiment with a located in the middle position piston.
  • FIG. 2 shows the area A marked in FIG. 1 in an enlarged schematic representation.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a cylinder-reciprocating piston device according to a further embodiment with a piston located in the first end position, electric valves in the closed position and a piston rod connected to the piston to show the first dead space volume and the second dead space volume.
  • Fig. 4 shows a schematic structure of a compressed air motor according to a first embodiment, in which the piston is in the second end position.
  • FIG. 5 shows the compressed air motor shown in FIG. 4, in which the piston is in the first end position.
  • Fig. 6 shows various exemplary embodiments of the compressed air motor in a schematic representation.
  • FIG. 7 shows a vehicle according to a first embodiment in a schematic representation.
  • Fig. 1 shows a cylinder-reciprocating device according to a first embodiment with a located in the middle position piston.
  • the cylinder-piston device 1 has a hollow cylinder 5 with the axis of rotation R.
  • the hollow cylinder 5 is closed at the top and bottom.
  • the inner wall 10 of the hollow cylinder 5 forms a pressure chamber 20 .
  • a lateral surface 25 delimits the pressure chamber 20 in the radial direction.
  • a top wall 30 delimits the pressure chamber 20 in the axial direction at the top.
  • a bottom wall 40 delimits the pressure chamber 20 downwards in the axial direction.
  • the piston 15 is in Fig. 1 approximately in the middle between the top wall 30 and the bottom wall 40.
  • the piston 15 divides the pressure chamber 20 into a first pressure chamber 55 between the piston 15 and the Top wall 30 is located, and a second pressure chamber 60 which is located between the piston 15 and the bottom wall 40 on.
  • the piston 15 is movably arranged in the pressure chamber 20 .
  • the volume of the first pressure chamber or the second pressure chamber thus changes depending on the position of the piston 15 .
  • first pressure chamber openings 35 there are two first pressure chamber openings 35 in the top wall 30 of the hollow cylinder 5.
  • the left of the two first pressure chamber openings 35 shown is an inlet first pressure chamber opening 36, via which a pressure medium can be fed into the first pressure chamber 55 is.
  • the right of the two first pressure chamber openings 35 shown is an outlet First pressure chamber opening 37, via which a pressure medium can be discharged or ejected from the first pressure chamber.
  • the left of the two second pressure chamber openings 45 shown is an inlet second pressure chamber opening 46, via which a pressure medium can enter the second pressure chamber 60 can be fed.
  • the right of the two second pressure chamber openings 45 shown is an outlet second pressure chamber opening 47 via which a pressure medium can be discharged or ejected from the second pressure chamber 60 .
  • FIG. 2 shows the area A marked in FIG. 1 in an enlarged schematic representation.
  • the top wall 30 of the hollow cylinder 5 contains the inlet first pressure chamber opening 36 and the outlet first pressure chamber opening 37.
  • the electric valve 65 is fluid-tightly inserted into the inlet first pressure chamber port 36 .
  • the electric valve 65 includes a valve flow channel 66 which can be closed using a valve closure part 67 .
  • the valve closure part 67 of the inlet first pressure chamber opening 36 is in the open position.
  • the flow channel 66 has a minimal flow cross section 68 when the valve closure part 67 is in the open position.
  • the representation of the valve and in particular of the valve closure part 67 is to be understood as a schematic representation which serves to clarify the relevant features of the electric valve.
  • an electric valve 65 is shown, which is inserted into the outlet first pressure chamber opening 37.
  • the electric valve 65 is fluid-tight in the outlet let-first-pressure-chamber opening 37 is used.
  • the electric valve 65 includes a valve flow channel 66 which can be closed using a valve closure part 67 .
  • the valve closure part 67 of the outlet first pressure chamber opening 36 is in the closed position. The flow channel 66 is thus blocked.
  • FIG 3 shows a cylinder-reciprocating piston device according to a further embodiment with a piston 15 in the first end position, electric valves in the closed position and a piston rod 70 connected to the piston to show the first dead space volume and the second dead space volume.
  • the state shown in FIG. 3 can, for example, correspond to the state when the vehicle is stationary.
  • the electric valves 67 are all in the closed position.
  • the piston 15 is in the first end position TDC.
  • the dashed line also shows the piston 15 in the second end position UT.
  • the piston 15 moves with the stroke H between the first end position OT and the second end position UT.
  • the piston 15 has the piston outer diameter DK.
  • the volume that can be filled with pressure medium that is located between the valve closure part 67 of the inlet first pressure chamber opening 36 in the closed position and the valve closure part 67 of the outlet first pressure chamber opening 37 and the piston 15 in the closed position, is the first dead space volume 56.
  • the first dead space volume 56 is thus composed on the one hand of the volume of the first pressure chamber 55, which forms when the piston 15 is in the first end position TDC, and on the other hand of the volume that can be filled with pressure medium, which is between the closed Position located valve closure part 67 of the inlet first pressure chamber opening 36 and located in the closed position valve closure part 67 of the outlet first pressure chamber opening 37 and the first pressure chamber 55 is located.
  • the first dead space volume 56 is shown in FIG. 3 in a dotted representation above the piston 15 .
  • the volume which can be filled with pressure medium and which is located between the valve closure part 67 of the inlet second pressure chamber opening 46 and which is in the closed position between the valve closure part 67 of the outlet second pressure chamber opening 47 and the piston 15, which is in the closed position, is the second dead space volume 57.
  • the second dead space volume 57 is therefore made up of the volume of the second pressure chamber 60, which forms when the piston 15 is in the second end position UT, and the volume that can be filled with pressure medium, which is between the closed position located valve closure part 67 of the inlet second pressure chamber opening 46 and located in the closed position valve closure part 67 of the outlet second pressure chamber opening 47 and the second pressure chamber 60 is located.
  • the second dead space volume 57 is shown in FIG. 3 in a dotted representation below the piston 15 .
  • Fig. 4 shows a compressed air motor according to a first embodiment, in which the piston is in the second end position UT.
  • the compressed air motor comprises a cylinder-reciprocating device.
  • a piston rod 70 is connected to the piston 15 of the cylinder-reciprocating device 1 .
  • the piston rod 70 is connected to two crankshafts 75 via a respective connecting rod 71 .
  • the crank mechanism shown in FIG. 4 is a so-called double crank mechanism.
  • the piston rod 70 runs through the piston rod opening 50 of the cylinder-reciprocating device.
  • the direction of flow of the pressure medium into the first pressure chamber and out of the second pressure chamber is indicated by arrows in FIG. 4 .
  • the state shown in Fig. 4 corresponds to a state in which the pressure medium is supplied through the supply first pressure chamber port 36 into the first pressure chamber 55 and at the same time the pressure medium from the second pressure chamber 60 is discharged from the discharge second pressure chamber port 47 becomes.
  • the state shown in FIG. 4 corresponds to an exemplary control state of the electric valves, in which the electric valves are switched exactly in the first end position or in the second end position.
  • the control times therefore correspond to a crank angle position of 0°/180°/360°.
  • the outlet first pressure chamber opening 37 and the supply second pressure chamber opening 46 are each closed by an electric valve 65 with the valve closure part 67 in the closed position.
  • the piston moves into its second end position UT as a result of such a flow of pressure media in the first pressure chamber 55 or the second pressure chamber 60 .
  • the piston 15 shown in FIG. 4 has accordingly just reached the second end position UT. This state is followed by the switching of the valves from 'open' to 'closed' or from 'closed' to 'open'.
  • Fig. 5 shows a state in which the piston 15 is in the first end position TDC.
  • the direction of flow of the pressure medium into the first pressure chamber and out of the second pressure chamber is indicated by arrows in FIG. 5 .
  • the state shown in FIG. 5 corresponds to a state in which the pressure medium is supplied into the second pressure chamber 60 through the supply second pressure chamber port 46 and at the same time the pressure medium from the first pressure chamber 60 is discharged from the discharge first pressure chamber port 37 becomes.
  • the supply first pressure chamber opening 36 and the outlet second pressure chamber opening 47 are each closed by an electric valve 65 with the valve closure part 67 in the closed position.
  • the piston 15 moves into its first end position TDC by such a flow of pressure media in the first pressure chamber 55 or the second pressure chamber 60 .
  • the piston shown in FIG. 5 is already in the first end position TDC.
  • Fig. 6 shows various embodiments of the compressed air motor in a schematic view.
  • I shows a compressed air motor with two cylinder-reciprocating piston devices.
  • the two cylinder-reciprocating piston devices 1 are connected to two crankshafts 75 via a common piston rod 70 .
  • the two cylinder-reciprocating devices 1 are located on opposite sides of the crankshafts 75.
  • the two cylinder-reciprocating devices 1 are of the same size.
  • the three cylinder-reciprocating devices 1 are connected via a common piston rod 70 to two Crankshafts 75 connected. Two cylinder-reciprocating devices 1 are located above the crankshafts 75 and one cylinder-reciprocating device 1 is located below the crankshafts 75. The three cylinder-reciprocating devices 1 are different in size, but have the same stroke.
  • III shows a compressed air engine with ten cylinder-reciprocating devices First
  • the compressed air engine has two crankshafts 75 lying next to one another (corresponding to the embodiment in I and II).
  • cylinder-reciprocating piston devices 1 Four of the total of ten cylinder-reciprocating piston devices 1 are connected to the crankshafts 75 via a common first piston rod 70 . A further four of the ten cylinder-reciprocating piston devices 1 are connected to the crankshafts 75 via a common second piston rod 70 . Another two of the ten cylinder-reciprocating piston devices 1 are connected to the crankshafts 75 via a common third piston rod 70 . The two cylinder-reciprocating devices 1 connected to the third piston rod 70 have a larger stroke than the remaining eight cylinder-reciprocating devices.
  • crank arms of the crankshaft, to which the respective piston rod is connected can be made longer and thus the connection between the piston rod and crank arm is radially further away from the axis of rotation of the crankshaft than with a short crank arm.
  • the longer coupling arm results in a larger stroke of the piston rod.
  • FIG. 7 shows a vehicle according to a first embodiment in a schematic representation.
  • FIG. 7 shows a vehicle 150 with four drive wheels 106 , each of the four drive wheels being driven by its own compressed air motor 100 .
  • the respective four air motors 100 are attached to a pressure tank 105 .
  • the pressure tank 105 runs in the longitudinal direction centrally in the vehicle 150.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

Mit einem Druckluftmotor gemäß dieser Offenbarung wird ein Antriebskonzept bereitgestellt, das einfach, kompakt, klein und leicht sowie sehr sicher und vielseitig verwendbar ist. Bei der Verwendung von Druckluft als Druckmedium wird zudem ein Antriebsmotor mit höchstem Umweltfaktor bereitgestellt. Der Druckluftmotor ist in sensiblen Bereichen einsetzbar, da keine Schadstoffe entstehen und kein Öl notwendig ist. Der Druckluftmotor ist modular konfigurierbar und dadurch flexibel an verschiedene Einsatzgebiete anpassbar. Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen des Druckluftmotors können beliebig in Reihe oder parallel angeordnet werden. Ferner können verschiedene Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen miteinander kombiniert werden. Damit lässt sich der Druckluftmotor gezielt an die jeweilige Leistungsanforderung und das jeweilige Einsatzgebiet anpassen. Es können hohe Drehmomente realisiert und das durch den Motor aufgebrachte Drehmoment ideal an die Gegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise kann ein Druckluftmotor mit nur einer Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung durch die Möglichkeit des Eintakt-Betriebs einem herkömmlichen 4 Zylinder-4-Takt-Motor ohne weiteres leistungsmäßig gleichgestellt oder überlegen sein. Die Produktionskosten eines derartigen Druckluftmotors sind sehr gering. Mit der Kombination eines drehsteifen Drucktanks wird der Karosserieaufbau zusätzlich leichter konstruierbar. Es wird ein sehr leichtes, energieeffizientes und flexibel antreibbares Fahrzeug bereitgestellt. Die Produktionskosten eines derartigen Druckluftmotors sind sehr gering. Durch die flexible Betriebsweise der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung(-en) eines Druckluftmotors kann auf Antriebsstrangkomponenten wie beispielsweise Getriebe und Differential verzichtet werden.

Description

Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung, Druckluftmotor und Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung für einen Druckluftmotor, einen Druckluftmotor mit einer solchen Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem solchen Druckluftmotor.
Motoren werden dazu verwendet, Energie umzuwandeln und zum Beispiel für den Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen. Maschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln, werden als Wärmekraftmaschinen bezeichnet. Zu den Wärmekraftmaschinen gehören zum Beispiel Dampfmaschinen, Dampfturbinen und alle Verbrennungsmotoren. Ein großer Teil heutiger Verbrennungsmotoren sind Hubkolbenmotoren. Hubkolbenmotoren arbeitet mit einem Kolben, der verschiebbar in einem Zylinder angeordnet ist. In diesem so geschaffenen, veränderbaren Hohlraum wird einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium durch Verbrennung ein Teil seiner Energie entnommen. Die Expansion des Arbeitsmediums bei der Verbrennung führt zu einer Bewegung des Kolbens. Der Kolben ist über Gelenke und eine Kolbenstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Die lineare Bewegung des Kolbens wird in eine Drehbewegung der Kurbelwelle übertragen. Der Kolben bewegt sich zwischen zwei Endstellungen innerhalb des Zylinders hin und her. Die Endstellungen werden als erster Totpunkt und zweiter Totpunkt bezeichnet. Die Bewegung von einer Endstellung in die andere Endstellung wird als Takt bezeichnet.
Konventionelle Hubkolbenmotoren sind zu großen Teilen 2-Takt und 4-Takt Hubkolbenmotoren. Bei einem 2-Takt Hubkolbenmotor wird in jedem zweiten Takt durch Ausdehnung des Arbeitsmediums Arbeit an dem Kolben verrichtet. Bei einem 4-Takt Hubkolbenmotor wird in jedem vierten Takt durch Ausdehnung des Arbeitsmediums Arbeit an dem Kolben verrichtet. Der Takt, in dem durch Ausdehnung des Arbeitsmediums Arbeit an dem Kolben verrichtet wird, wird auch als Arbeits- oder Verbrennungstakt bezeichnet.
Weil bei 2-Takt und 4-Takt Hubkolbenmotoren jeweils in nur einem Takt Arbeit verrichtet wird, werden bei diesen Motoren üblicherweise mehrere Zylinder verwendet. Die Kurbeltriebe sind bei diesen herkömmlichen Mehrtaktmotoren so ausgebildet, dass die Arbeitstakte in den jeweiligen Zylindern versetzt zueinander sind. Als Kurbeltrieb wird beispielsweise die Einheit aus Kolben, Kolbenstange und/oder Pleuel, Kurbelwelle und den dazwischenliegenden Gelenken bezeichnet. Um die Nachteile des herkömmlichen Verbrennungsmotors zu lösen, wurden zuletzt elektrische Antriebssysteme für Fahrzeuge weiterentwickelt. Diese sind aber unter anderem bei Herstellung und Entsorgung bezüglich Umwelt äußerst problematisch.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Komponenten für einen verbesserten Motor, einen verbesserten Motor mit solchen Komponenten sowie ein verbessertes Fahrzeug mit einem verbesserten Motor anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung für einen Druckluftmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, einen Druckluftmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 24. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist es, Komponenten für einen effizienten und flexibel einsetz- und betreibbaren Druckluftmotor und solchen Druckluftmotor bereitzustellen.
Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung weist die eine oder mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen, die bevorzugt doppelwirksam sind und über bevorzugt elektrische Ventile mit einem Druckmedium befüllbar bzw. entleerbar sind. Insbesondere können bei einem solchen Druckluftmotor mehrere Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen flexibel miteinander verschaltet werden.
Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung weist einen Hohlzylinder auf, in dem sich ein Kolben auf und ab bewegen kann. Bevorzugt weißt der Hohlzylinder eine zylindrische Außenmantelfläche auf. Alternativ kann der Hohlzylinder auch andere beispielsweise rechteckig oder oval geformte Außenmantelflächen aufweisen. Die innere Mantelfläche, durch die der Druckraum der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung ausgebildet wird, ist allerdings bevorzugt stets zylindrisch.
Der Hohlzylinder ist beispielsweise aus Gusseisen, Aluminium, Leichtmetall-Legierungen, o- der Kunststoffen (aufgrund der geringen Betriebstemperaturen) hergestellt. Der Hohlzylinder kann einteilig oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Die Innenmantelfläche des Hohlzylinders und die Außenmantelfläche des Kolbens sind derart aufeinander abgestimmt bzw. ausgebildet, dass der Kolben innerhalb des Hohlzylinders druckdicht bewegbar ist. Die Hohlzylinderinnenwand bildet einen Druckraum aus, der durch den Kolben in eine ersten Druckkammer und eine zweite Druckkammer, die druckdicht voneinander getrennt sind, aufgeteilt wird. Mit der Bewegung des Kolbens ändert sich das Volumen der ersten Druckkammer gegenläufig zu dem Volumen der zweiten Druckkammer. Die Hohlzylinderinnenwand weist mindestens eine Erste-Druckkammer-Öffnung und eine Zweite-Druckkammer-Öffnung auf. Über die Erste-Druckkammer-Öffnung und die Zweite- Druckkammer-Öffnung können ein oder mehrere Druckmedien in die Erste- bzw. die Zweite- Druckkammer-Öffnung zugeführt und abgeführt werden. Der Kolben ist beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Kunststoff hergestellt.
Die mindestens eine Erste-Druckkammer-Öffnung und die mindestens eine Zweite-Druckkammer-Öffnung sind so ausgebildet, dass ein Druckmedium über ein elektrisches Ventil durch sie in die erste Druckkammer bzw. in die zweite Druckkammer zu- bzw. abgeführt werden kann. Beispielsweise kann es sich bei der mindestens einen Erste-Druckkammer-Öffnung und der mindestens einen Zweite-Druckkammer-Öffnung um eine Bohrung durch die Wand des Hohlzylinders handeln. Die Bohrung kann beispielsweise ein Innengewinde aufweisen. Das Innengewinde kann so ausgebildet sein, dass es mit einem Außengewinde eines elektrischen Ventils eine druckdichte Verbindung ausbilden kann, so dass Druckmedium nur durch den Strömungskanal innerhalb des elektrischen Ventils in die erste bzw. zweite Druckkammer strömen kann.
Elektrische Ventile umfassen bevorzugt einen Ventil- Strömungskanal und ein Ventil-Verschlussteil. Durch den Ventil- Strömungskanal kann das mit dem elektrischen Ventil zu steuernde Druckmedium strömen. Mit dem Ventil-Verschlussteil ist der Ventil Strömungskanal verschließbar und somit der Strömungsweg für das Druckmedium verschlossen. Der Ventil- Strömungskanal weist im geöffneten Zustand des Ventils einen minimalen Strömungsquerschnitt auf, der bevorzugt den maximalen Fluidfluss durch das Ventil bestimmt. Sofern in dem Strömungskanal ausgehend von dem Druckspeicher bis in den Druckraum kein Abschnitt (keine Drossel) mit geringerem Strömungsquerschnitt ist, bestimmt der minimalen Strömungsquerschnitt des Ventil- Strömungskanals auch den maximalen Fluidfluss von dem Druckspeicher bis in den Druckraum. In geschlossenem Zustand des Ventils kann bevorzugt kein Druckmedium durch den Ventil Strömungskanal fließen. Der geöffnete Zustand und der geschlossene Zustand des elektrischen Ventils beziehen sich bevorzugt auf den vollständig (maximal) geöffneten Zustand des elektrischen Ventils und den vollständig (maximal) geschlossenen Zustand des elektrischen Ventils.
Unter elektrischen Ventile im Sinne dieser Offenbarung sind alle Bauteile zu subsumieren, die zur Absperrung oder Steuerung des Durchflusses von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gasen) dienen und bei denen die Betätigung auf (rein) elektrische Weise, beispielsweise über einen Elektromagneten, einen elektrischen Stellmotor mit Zahnradantrieb, Schneckenantrieb, oder einen Linearmotor erfolgt. Insbesondere sind Magnetventile unter elektrischen Ventilen zu verstehen.
Ventil- Verschlussteile können beispielsweise als Teller, Kegel, Kugel, Nadel oder Ventilkolben ausgebildet sein, die im Zusammenspiel mit einem entsprechenden Ventilsitz ein Abdichten oder ein Verschließen des Strömungskanals ermöglichen.
Eine Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung umfasst bevorzugt mindestens zwei elektrische Ventile, die bevorzugt mindestens ein elektrisches Ventil für das Zuführen bzw. Abführen von Druckmedium aus der ersten Druckkammer und bevorzugt mindestens ein elektrisches Ventil für das Zuführen bzw. Abführen von Druckmedium aus der zweiten Druckkammer umfassen. In nicht von den derzeitigen Ansprüchen abgedeckten Ausführungsformen kann aber auch ein einziges Mehrwegeventil zur Anwendung kommen.
Durch die Verwendung von elektrischen Ventilen ist im Vergleich zu beispielsweise mechanischen Ventilen eine einfachere, leichtere und mit weniger Reibung behaftete Ausgestaltung der Ventile samt ihrer Antriebe und Steuerung gegeben. Weiterhin sind die Freiheitsgrade bei der Einstellung und Steuerung größer.
Im Sinne dieser Offenbarung lassen sich unter einem Druckmedium alle fluiden Medien subsumieren, die aufgrund von Kompression und Speicherung in einem Drucktank eine zugeführte Energie aufnehmen können. Das Druckmedium kann bevorzugt ferner einer Druckkammer (erste oder zweite) zugeführt bzw. von einer Druckkammer weggeführt werden, wobei das Druckmedium zumindest einen Teil der durch Kompression zugeführten Energie durch Expansion in der Druckkammer wieder abgeben kann. Durch die Expansion des Druckmediums in der Druckkammer baut sich ein Druck in der Druckkammer auf, der den Kolben in Bewegung versetzen kann. Es ist keine Verbrennung/Zündung notwendig, um das Druckmedium zu expandieren. Beispielsweise ist Druckluft ein Druckmedium im Sinne der vorliegenden Offenbarung.
Gemäß eines weiteren Beispiels, das nicht von den derzeitigen Ansprüchen abgedeckt ist, lassen sich auch zündbare Gase oder Gasgemische wie Wasserstoff oder Benzin-Luftgemische als das Druckmedium verwenden. Bei der Verwendung von zündbaren Gasen oder Gasgemischen um fasst die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung bevorzugt eine Zündkerze zum Entzünden des zündbaren Gases oder Gasgemisches in der ersten Druckkammer oder der zweiten Druckkammer oder jeweils in der ersten und der zweiten Druckkammer.
Mit dem Druckluftmotor wird ein Antriebsmotor bereitgestellt, der beispielsweise einfach, kompakt, sicher und vielseitig verwendbar ist. Bei der Verwendung von insbesondere Druckluft als Druckmedium wird zudem ein Antriebsmotor mit umweltfreundlicher Antriebsenergie bereitgestellt. Das Arbeitsmedium Luft ist unbegrenzt verfügbar und ohne Raubbau unserer Ressourcen nutzbar. Sondermüll, wie beispielsweise bei heutigen Lithium-Ionen Batterien für elektrische Antriebe, entsteht bei der Nutzung von Druckluft als Antriebsenergie über den Lebenszyklus des Motors nicht. Zudem wird die Druckluft bei der Verwendung als Energieträger in einem Druckluftmotor ohne Verschmutzung lediglich verdichtet. Somit ist die von einem Druckluftmotor abgegebene Druckluft schadstofffrei und kann ungefiltert, unverändert und leise in die Umwelt entweichen. Der Druckluftmotor ist zudem beispielsweise in sensiblen Bereichen einsetzbar, da keine Schadstoffe entstehen und je nach Konstruktion kein Öl notwendig ist. So lässt sich ein Druckluftmotor beispielsweise vorteilhaft für Boote, Krankenhäuser, Kühlhäuser, Flughäfen und Bahnhöfe oder für Fahrzeuge im Städteverkehr verwenden. Ein Drucklufttank ist beispielsweise mittels eines strombetriebenen Bordkompressors an jeder Steckdose oder an stationären Druckluftstationen aufladbar.
Der Druckluftmotor zeichnet sich bei der Verwendung von/mit Druckluft durch eine CO2- neutrale Betriebsweise mit Null-Emissionen aus. Mit dem Druckluftmotor wird ein in Produktion und Entsorgung einfacher und umweltunbedenklicher Antrieb geboten.
Ein Druckluftmotor ist bevorzugt modular konfigurierbar und dadurch flexibel an verschiedene Einsatzgebiete anpassbar. Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen des Druckluftmotors können beliebig in Reihe oder parallel angeordnet werden. Ferner können verschiedene Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen miteinander kombiniert werden. Damit lässt sich der Druckluftmotoren gezielt an die jeweilige Leistungsanforderung und das jeweilige Einsatzgebiet anpassen. Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung(en) des Druckluftmotors kann (können) sowohl im 1 -Takt- Verfahren als auch im Mehrtakt- Verfahr en betrieben werden, je nach Anforderung oder Betriebssituation. Gegebenenfalls können verschiedene, auch zueinander verschiedene Druckmedien verwendet werden. Es können hohe Drehmomente realisiert und das durch den Motor aufgebrachte Drehmoment ideal an die Gegebenheiten angepasst werden. Beispielsweise kann ein Druckluftmotor mit nur einer Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung durch die Möglichkeit des Eintakt-Betriebs einem herkömmlichen 4 Zylinder-4-Takt-Motor ohne weiteres leistungsmäßig gleichgestellt oder überlegen sein. Die Produktionskosten eines derartigen Druckluftmotors sind gering.
Der Druckluftmotor umfasst mindestens eine Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung. Ferner weist der Druckluftmotor eine Kolbenstange und eine Kurbelwelle auf. Die Kurbelwelle und der Kolben der mindestens einen Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung sind derart gekoppelt, dass eine (lineare) Hin- und Herbewegung des Kolbens über die Kolbenstange in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle überführt wird.
Die Kolbenstange verläuft dabei durch eine Kolbenstangen-Öffnung in der Hohlzylinderinnenwand des Hohlzylinders der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung. Bevorzugt ist die Kolbenstange (der Außendurchmesser der Kolbenstange) und die Kolbenstangen-Öffnung derart aufeinander abgestimmt, dass der entsprechende Druckraum, durch den die Kolbenstange verläuft, nach außen fluiddicht abgedichtet ist. Beispielsweise kann eine fluiddichte Abdichtung über Dichtungen/Dichtringe in der Kolbenstangen-Öffnung erreicht werden. Die Kolbenstange kann von dem Kolben aus einseitig durch die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer nach außen verlaufen oder alternativ auch von dem Kolben beidseitig durch die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer.
Für die beispielhaft als Kurbeltrieb bezeichnete Einheit aus bevorzugt Kolben, Kolbenstange, Pleuel, Kurbelwelle und verbindende Gelenke sind verschiedene Ausführungen denkbar. Bevorzugt ist, dass die Kolbenstange, eine lineare Bewegung ausübt, damit eine zuverlässige Abdichtung von dem Druckraum der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung nach außen realisiert werden kann. Es ist auch möglich, bei einem Druckluftmotor verschiedene unterschiedliche oder gleiche Kurbeltriebe miteinander zu kombinieren.
Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung ist doppelwirksam. Aus diesem Grund kann der Kolben der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung in einem Leistungsabgabebetrieb (Motorbetrieb) wahlweise von einer oder von zwei gegenüberliegenden Seiten mit Druck beaufschlagt werden. Je nach Leistungsbedarf kann somit die Betriebsweise der einen oder mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen des Druckluftmotors flexibel angepasst werden.
Ferner kann die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung in einem Pumpenbetrieb (Rekuperationsbe- trieb) betrieben werden. Im Pumpenbetrieb kann durch den Kolben ein Druckmedium mit Druck beaufschlagt werden. Entsprechend dem oben beschriebenen Leistungsabgabebetrieb (Motorbetrieb) kann von dem Kolben einseitig oder zweiseitig Druck auf ein Druckmedium aufgebracht werden. Der Kolben wird im Pumpenbetrieb über ein Antriebsrad bzw. eine mit dem Antriebsrad gekoppelte Kurbelwelle angetrieben. Beispielsweise kann Luft mit Umgebungsdruck in die erste Druckkammer durch den Kolben bei Bewegung von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung angesaugt werden. Bei der Rückbewegung des Kolbens von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung sind die elektrischen Ventile der ersten Druckkammer bevorzugt verschlossen, so dass das Druckmedium in der ersten Druckkammer verdichtet wird. Beispielsweise wird, wenn sich der Kolben am Ende der Bewegung von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung befindet, das verdichtete Druckmedium aus der ersten Druckkammer ausgelassen und kann beispielsweise in einem Drucktank gespeichert werden.
Elektrische Ventile lassen sich sehr schnell, variabel und präzise schalten. Somit sind kurze Ansteuerzeiten mit elektrischen Ventilen realisierbar. Ferner lassen sich die elektrischen Ventile mithilfe einer elektronischen Steuerung gezielt und unabhängig voneinander ansteuern. Dies erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Betriebsweise von einer oder mehreren Zylinder- Hubkolben- Vorrichtungen in einem Druckluftmotor.
In einer von den Ansprüchen nicht umfassten Ausgestaltung können anstelle der elektrischen Ventile beispielsweise auch medienbetätigte Ventile, die pneumatisch oder hydraulisch angesteuert werden, oder mechanisch über die Kurbelwelle betätigte Ventile verwendet werden. Gemäß einem weiteren Beispiel, das nicht von den Ansprüchen abgedeckt ist, kann der Druckluftmotor als ein Gegenkolbenmotor ausgebildet sein. Bei einem Gegenkolbenmotor arbeiten zwei Kolben im selben Hohlzylinder und teilen sich einen gemeinsamen Druckraum in der Mitte des Hohlzylinders. Entsprechend ist einer der beiden Kolben mit einer ersten Kolbenstange verbunden, die durch die Deckenwand des Hohlzylinders nach außen verläuft. Der andere der beiden Kolben ist mit einer zweiten Kolbenstange verbunden, die durch die Bodenwand des Hohlzylinders nach außen verläuft. Mit der ersten Kolbenstange und der zweiten Kolbenstange ist jeweils eine Kurbelwelle verbunden, die die Hin- und Herbewegung der jeweiligen Kolbenstange in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle überführt. Entsprechend sind bei einem solchen Motor zusätzliche Ventile in der Seitenwand des Hohlzylinders so vorgesehen, dass der gemeinsame Druckraum befällt und entleert werden kann.
Kern der Erfindung ist es ferner, Druckluftmotoren nebst mindestens einem Drucktank in einem Fahrzeug bereitzustellen und diese Komponenten vorteilhaft in dem Fahrzeug anzuordnen.
Ein Fahrzeug weist bevorzugt einen oder mehrere Druckluftmotoren und bevorzugt einen o- der mehrere Drucktanks auf. Die Drucktanks sind für die Speicherung mindestens eines Druckmediums ausgebildet. Die Drucktanks können miteinander kommunizierend in Verbindung stehen (in Reihe oder parallel oder kombiniert) oder, insbesondere bei Verwendung zueinander unterschiedlicher Druckmedien oder unterschiedlicher Drücke in den jeweiligen Tanks, nicht miteinander kommunizierend verbunden sein. Je nach Anzahl der verwendeten unterschiedlichen Druckmedien können auch mehrere Drucktanks für unterschiedliche Druckmedien verwendet werden. Bei der Verwendung nur eines Druckmediums, wie beispielsweise Druckluft, kann ein großer Drucklufttank oder alternativ mehrere kleine Drucklufttanks verwendet werden. Beispielsweise kann auch für eine Rekuperationsfünktion ein gesonderter Drucktank zur gesonderten Speicherung des gepumpten Mediums vorgesehen sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform lassen sich bei einem Fahrzeug gemäß dieser Offenbarung auch verschiedene Druckmedien für gleiche Druckluftmotoren verwenden. So kann beispielsweise ein Druckluftmotor zunächst mit Druckluft betrieben werden und bei Bedarf auf einen Betrieb mit beispielsweise Wasserstoff umgeschaltet werden. Beispielsweise können bei einem Fahrzeug gemäß dieser Offenbarung auch mehrere Druckluftmotoren vorhanden sein, die jeweils mit einem eigenen, sich voneinander unterscheidenden Druckmedium betrieben werden. Dementsprechend kann beispielsweise ein Fahrzeug gemäß dieser Offenbarung einen Druckluftmotor aufweisen, der für den Betrieb mit Druckluft ausgelegt ist, und einen Druckluftmotor aufweisen, der für den Betrieb zum Beispiel mit Wasserstoff ausgelegt ist. Durch die Kombination verschiedener Druckmedien in einem Fahrzeug kann eine erhebliche Reichweitenerhöhung und Flexibilität von Kraftstoffverfügbarkeit realisiert werden.
Mit einem Fahrzeug wird ein sehr leichtes, energieeffizientes und flexibel antreibbares Fahrzeug bereitgestellt. Durch die flexible Betriebsweise der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen eines Druckluftmotors kann auf Antriebsstrangkomponenten wie beispielsweise Getriebe und Differential verzichtet werden. Dadurch lassen sich Fahrzeuge mit im Vergleich zu beispielsweise klassischen Verbrennungsmotoren sehr geringem Gewicht realisieren. Durch die minimale Zahl an Antriebsstrangkomponenten ist der Antriebsstrang eines Fahrzeugs sehr robust und extrem wartungsarm.
Bei einem Fahrzeug kann der Drucktank, der drehsteif ausgeführt ist, als Träger für die Fahrzeug-Karosserie dienen. Die kompakte Bauweise der Druckluftmotoren erlaubt die Anordnung mehrerer Druckluftmotoren in dem Fahrzeug. Beispielsweise kann jedes Antriebsrad einen eigenen Druckluftmotor haben. Die einzelnen Druckluftmotoren können ebenfalls an dem Drucklufttank angebracht sein. Die kompakte Bauweise des Druckluftmotors sowie die Möglichkeit des Verzichts auf Achsantriebskomponenten wie Getriebe und Differential erlaubt es, viele Motorvarianten flexibel umsetzen zu können und den Antrieb des Fahrzeugs optimal auf das entsprechende Einsatzgebiet des Fahrzeugs anzupassen. Fahrzeug zeichnet sich zudem dadurch aus, dass es sehr sicher ist, weil der Drucktank explosionssicher und unbrennbar ist.
Bei einem Fahrzeug gemäß dieser Offenbarung können beispielsweise ein Gaspedal und/oder ein Bremspedal mit der Steuerung der einen oder mehreren Druckluftmotoren derart gekoppelt sein, dass mit Hilfe des Gaspedals und/oder des Bremspedals (über die Steuerung) die Zustände der elektrischen Ventile (und damit das Zuführen und das Ablassen und das Stoppen des Zuführens von Druckluft in jede der einen oder mehreren Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen) nach Bedarf (Leistung und Drehzahl) gesteuert werden können. Bei einem Fahrzeug mit mindestens einem Druckluftmotor können beispielsweise die folgenden vier Betriebszustände für die Zustände von elektrischen Ventilen mindestens einer Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtung in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals, des Bremspedals und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs mithilfe der Steuerung umgesetzt werden.
Ein erster Betriebszustand kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Gaspedal und das Bremspedal nicht betätigt wird und das Fahrzeug steht. In dem ersten Betriebszustand sind beispielsweise alle elektrischen Ventile einer Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung geschlossen. Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gibt somit weder Leistung ab (Motorbetrieb) noch führt sie einem Druckmedium Energie zu (Pumpenbetrieb). Gemäß dem ersten Betriebszustand ist das Fahrzeug bevorzugt in Parkbetrieb.
Ein zweiter Betriebszustand kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Gaspedal und das Bremspedal nicht betätigt wird und das Fahrzeug sich bewegt. Im zweiten Betriebszustand sind beispielsweise alle elektrischen Ventile mindestens einer Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung geschlossen. Zusätzlich ist vorzugsweise ein Freilauf zugeschaltet/vorhanden, der die Kurbelwelle, die mit der mindestens einen Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gekoppelt ist, und das Antriebsrad, das mit dieser Kurbelwelle gekoppelt ist, voneinander entkoppeln kann, so dass sich das Antriebsrad bei zugeschaltetem Freilauf drehen kann und der Kolben der Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtung vorzugsweise gleichzeitig still steht. Gemäß dem zweiten Betriebszustand ist das Fahrzeug bevorzugt in Freirollbetrieb (Freilaufbetrieb).
Ein dritter Betriebszustand kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Gaspedal nicht betätigt wird, aber das Bremspedal betätigt wird und sich das Fahrzeug bewegt. Im dritten Betriebszustand arbeitet beispielsweise eine Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung im Rekuperati- onsbetrieb (Pumpenbetrieb). Im Rekuperationsbetrieb werden die elektrischen Ventile einer Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung bevorzugt derart geschaltet, dass ein Druckmedium mit Umgebungsdruck zunächst durch die beispielsweise Abwärtsbewegung des Kolbens der Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtung in die erste oder die zweite Druckkammer angesaugt wird, dann durch die entgegengesetzte Bewegung des Kolbens, hier Aufwärtsbewegung, in der entsprechenden Druckkammer komprimiert wird und dann aus der Druckkammer in den gleichen oder einen anderen Drucktank ausgelassen wird. Die Nutzung des Rekuperationsbetriebs bei Bremsvorgängen kann reichweitenverlängemd sein, da durch die Zylinder-Hubkolben- Vor- richtung ein Druckmedium zunächst mit Druck beaufschlagt wird und das mit Druck beaufschlagte Druckmedium anschließend als Druckmedium für das Beaufschlagen des Kolbens einer Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung verwendet werden kann (Motorbetrieb).
Für den Rekuperationsbetrieb kann es vorteilhaft sein, einen gesonderten Drucktank für das durch die Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung komprimierte Druckmedium vorzusehen. Bei Verwendung eines gesonderten Drucktanks kann beispielsweise der erste Druckraum einer Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung sowohl mit einem ersten Drucktank als auch mit einem zweiten Drucktank verbunden sein. Der erste Drucktank ist dabei vorzugsweise so mit dem ersten Druckraum verbunden, dass das Druckmedium aus dem ersten Drucktank über ein elektrisches Ventil der ersten Druckkammer zugeführt werden kann. Ferner ist der zweite Drucktank vorzugsweise so mit der ersten Druckkammer verbunden, dass das Druckmedium aus dem zweiten Drucktank über ein elektrisches Ventil der ersten Druckkammer zugeführt werden kann. Der zweite Drucktank ist beispielsweise ein Tank, der für die Speicherung von durch Rekuperation verdichtetem Druckmedium ausgelegt ist. Die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung kann wahlweise sowohl mit dem ersten Drucktank als auch mit dem zweiten Drucktank betrieben werden. Beispielsweise kann ein elektrisches 3 -Wege- Ventile vorhanden sein, über das wahlweise das Druckmedium aus dem ersten Drucktank oder das Druckmedium aus dem zweiten Drucktank der ersten Druckkammer zugeführt werden kann. Der zweite Drucktank ist darüber hinaus bevorzugt so ausgebildet, dass er ein Druckmedium, das in der Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtung durch den Kolben verdichtet worden ist, aufnehmen und speichern kann. Das in dem zweiten Drucktank gespeicherte Druckmedium kann einen geringeren Druck als das Druckmedium aus dem ersten Drucktank aufweisen. Das Druckmedium aus dem zweiten Drucktank kann dann beispielweise bei geringem Leistungsbedarf des Fahrzeugs abgerufen werden. Ein solcher zweiter Drucktank kann auch unabhängig von der Rekuperati- onsfünktion vorhanden sein.
Ein vierter Betriebszustand kann beispielsweise dann auftreten, wenn das Gaspedal betätigt wird und das Bremspedal nicht betätigt wird. Das Fahrzeug kann still stehen oder sich bewegen. Es kann sich also um ein Anfahren oder um ein Beschleunigen handeln. Im vierten Betriebszustand werden die ein oder mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen über elektrische Ventile mit dem Druckmedium befüllt bzw. das Druckmedium von diesen abgeführt. Bei Vollastbetrieb (voll durchgetretenes Gaspedal) können beispielsweise alle Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen des einen oder der mehreren Druckluftmotoren des Fahrzeugs zugeschaltet werden. Bei Niederleistung (teilweise durchgetretenes Gaspedal) kann beispielsweise nur einzelnen der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen Druckmedium zugeführt werden bzw. von diesen abgeführt werden. Weiterhin kann abhängig von dem Leistungsbedarf im 1-Takt Betrieb oder im Mehrtaktbetrieb gearbeitet werden.
Ein Fahrzeug gemäß dieser Offenbarung zeichnet sich durch ein extrem hohes Maß an Flexibilität der Anordnung und Ausgestaltung der Drucktanks und der Druckluftmotoren aus. Durch die flexible Ausgestaltung von Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen eines jeden Druckluftmotors kann bevorzugt auf weitere Komponenten eines klassischen Antriebsstrangs wie beispielsweise Getriebe und Differential usw. verzichtet werden.
Gemäß eines weiteren Beispielskann eine Anpassung der Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs durch Verwendung mehrerer Antriebsräder mit unterschiedlichem Durchmesser realisiert werden. Bevorzugt ist gemäß diesem Beispiel ein Druckluftmotor mit einem großen Antriebsrad des Fahrzeugs und ein Druckluftmotor mit einem kleineren Antriebsrad des Fahrzeugs verbunden. Wenn hohe Geschwindigkeiten erreicht werden sollen, kann der Druckluftmotor des großen Antriebsrades zugeschaltet werden und der Druckluftmotor des kleineren Antriebsrades abgeschaltet bzw. ein zusätzlicher Freilauf zwischen den Druckluftmotor des kleineren Antriebsrades und das kleinere Anriebsrad geschaltet werden. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist umgekehrt nur der Druckluftmotor für das kleinere Antriebsrad zugeschaltet und der Druckluftmotor für das große Antriebsrad abgeschaltet bzw. über einen Freilauf entkoppelt. Wenn hohe Geschwindigkeiten erreicht werden sollen, kann der Druckluftmotor des großen Antriebsrades zugeschaltet werden. Sofern beide Druckluftmotoren maximal gleich schnell drehen, kann durch den größeren Durchmesser des großen Antriebsrades im Vergleich zu dem kleineren Antriebsrad eine höhere Geschwindigkeit des Fahrzeugs erreicht werden.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist der Kolbenhub der Zylinder- Hubkolben- Vorrichtung kleiner als der Kolbenaußendurchmesser.
Der Kolbenhub ist der Weg, den der Kolben zwischen der ersten Endstellung und der zweiten Endstellung zurücklegt. Der Kolbenaußendurchmesser ist der Außendurchmesser des (zylind- rischen) Kolbens, der derart auf den Hohlzylinder abgestimmt ist, dass sich der Kolben druckdicht in dem Hohlzylinder verschieben lässt. Der Kolbenaußendurchmesser ist somit der maximale Durchmesser des Kolbens.
Gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist die Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung ein Kurzhuber. Im Vergleich zu hubraumgleichen Langhubern, d. h. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtungen, bei denen der Kolbenhub größer als der Kolbenaußendurchmesser ist, ist bei einem Kurzhuber in der Deckenwand bzw. Bodenwand des Hohlyzlinders mehr Platz für größere Ventile. Dies erlaubt einen höheren Druckmedium- Durchsatz und damit mehr Drehmoment und Leistung. Ein Druckluftmotor mit einer solchen Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung kann bei hoher Leistung sehr kompakt ausgebildet werden.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 weist die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung ein erstes Totraumvolumen bei in der ersten Endstellung befindlichem Kolben auf, das kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter vorzugsweise kleiner als 5%, weiter vorzugsweise kleiner als 2,5%, weiter vorzugsweise kleiner als 1% des ersten Hubraumvolumens ist. Und die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung weist ein zweites Totraumvolumen bei in der zweiten Endstellung befindlichem Kolben auf, das kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter vorzugsweise kleiner als 5%, weiter vorzugsweise kleiner als 2,5%, weiter vorzugsweise kleiner als 1% des zweiten Hubraumvolumens ist.
Das erste Hubraumvolumen bestimmt sich aus dem Kolbenhub und der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens bezogen auf die erste Druckkammer.
Das zweite Hubraumvolumen bestimmt sich aus dem Kolbenhub und der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens bezogen auf die zweite Druckkammer.
Die wirksame Querschnittsfläche des Kolbens ist die der Deckenwand bzw. der Bodenwand zugewandte Fläche des Kolbens, die den ersten Druckraum nach unten bzw. den zweiten Druckraum nach oben begrenzt. Mit anderen Worten, die wirksame Querschnittsfläche ergibt sich aus der Projektion der der Deckenwand bzw. der Bodenwand zugewandten Fläche des Kolbens auf eine Fläche senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Kolbens. Entsprechend ist der Bereich, an dem eine Kolbenstange angeschlossen ist, nicht in der wirksamen Quer- schnittsfläche enthalten. Bei vereinfachter Betrachtung ergibt sich daher die wirksame Quer- schnittsfläche aus der Querschnittsfläche des Kolbens (einschließlich etwaiger Dichtringe) abzüglich der Querschnittsfläche der gegebenenfalls vorhandenen Kolbenstange.
Unter dem ersten Totraumvolumen versteht man das Volumen, das sich zwischen dem in erster Endstellung befindlichem Kolben und den in geschlossener Stellung befindlichen elektrischen Ventilen, über die das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, befindet. Hinsichtlich der elektrischen Ventile ist als Referenz das Ventil- Verschlussteil zu verwenden, welches sich im geschlossenen Zustand befindet.
Das erste Totraumvolumen wird also zum einen durch das Volumen der ersten Druckkammer bei in der ersten Endstellung befindlichem Kolben ausgebildet. Zum anderen wird das erste Totraumvolumen durch das mit dem Druckmedium befüllbare Volumen ausgebildet, das zwischen dem Ventil-Verschlussteil des mindestens einen elektrischen Ventils im geschlossenen Zustand, über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, und der ersten Druckkammer ausgebildet ist. Letzteres kann auch als der Druckkammer zugewandtes Ventilkanalvolumen bezeichnet werden.
Unter dem zweiten Totraumvolumen versteht man das Volumen, das sich zwischen dem in zweiter Endstellung befindlichem Kolben und den elektrischen Ventilen, über die das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, befindet. Hinsichtlich der elektrischen Ventile ist als Referenz das Ventil- Verschlussteil zu verwenden, welches sich im geschlossenen Zustand befindet.
Das zweite Totraumvolumen wird also zum einen durch das Volumen der zweiten Druckkammer bei in der ersten Endstellung befindlichem Kolben ausgebildet. Zusätzlich wird das zweite Totraumvolumen durch das mit dem Druckmedium befüllbare Volumen ausgebildet, das zwischen dem Ventil- Verschlussteil des mindestens einen elektrischen Ventils im geschlossenen Zustand, über das das zweite Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, und der zweiten Druckkammer ausgebildet ist. Letzteres kann auch als der Druckkammer zugewandtes Ventilkanalvolumen bezeichnet werden.
Das Totraum volumen bezieht sich somit auf einen Zustand der Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung, bei der alle elektrischen Ventile für den Einlass- bzw. den Auslass des Druckmediums in die erste bzw. die zweite Druckkammer geschlossen sind und sich der Kolben entweder in der ersten Endstellung oder der zweiten Endstellung befindet. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise der Zustand der elektrischen Ventile bei Stillstand des Fahrzeugs sein.
Es hat sich herausgestellt, dass bei einem Totraumvolumen, das kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter vorzugsweise kleiner als 5%, weiter vorzugsweise kleiner als 2,5%, weiter vorzugsweise kleiner als 1% des ersten Hubraumvolumens ist, das Ansprechverhalten des Kolbens positiv beeinflusst wird. Durch das kleine Totraumvolumen wird erreicht, dass das in die erste Druckkammer bzw. zweite Druckkammer eingeführt Medium nach kürzester Zeit Druckkraft, die dem Druck des Druckmediums entspricht, auf den Kolben aufbringt. Verglichen mit größeren Totraumvolumina ist eine vorausgehende Verdichtung des im Totraumvolumen befindlichen Gas nicht notwendig.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist die mindestens eine Erste- Druckkammer-Öffnung in der Deckenwand angeordnet und ist die mindestens eine Zweite- Druckkammer-Öffnung in der Bodenwand angeordnet.
Eine derartige Anordnung der mindestens einen Erste-Druckkammer-Öffnung und der mindestens einen Zweite-Druckkammer-Öffnung erlaubt es, den Kolben in unmittelbare Nähe o- der Anlage mit der Deckenwand bzw. der Bodenwand zu bringen.
Bei einer solchen Anordnung kann nämlich der Kolben in radialer Richtung keine der mindestens einen Ersten-Druckkammer-Öffnung oder der mindestens Zweiten-Druckkammer-Öff- nung verschließen, da diese in der Bodenwand bzw. der Deckenwand angeordnet sind. Bei in der Mantelfläche der Hohlzylinderinnenwand angeordneten Öffnungen darf für ein zuverlässiges Zuführen bzw. Abführen des Druckmediums aus der Druckkammer der Kolben die Öffnungen nicht komplett versperren. Daher kann der Kolben nicht in unmittelbarer Nähe oder in Anlage mit der Bodenwand bzw. der Deckenwand gebracht werden. Ferner kann sich bei einer Anordnung der Erste-Druckkamm er-Öffnungen und/oder Zweite-Druckkammer-Öffnun- gen in der Mantelfläche der Hohlzylinderinnenwand der Wirkungsgrad der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung verringern, wenn der Kolben die mindestens eine Erste-Druckkammer-Öff- nung bzw. die mindestens eine Zweite-Druckkammer-Öffnung versperrt. Gemäß der Ausführung nach Anspruch 4 lässt sich der Anteil des Totraumvolumens, der sich durch die erste Druckkammer bzw. die zweite Druckkammer bei in Endstellung befindlichen Kolben bestimmt, minimal gestalten.
Insbesondere bei der Ausbildung der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung als Kurzhuber ist in der Deckenwand bzw. Bodenwand des Hohlyzlinders viel Platz für elektrische Ventile. Abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, die Zufuhr und den Abfluss von Druckmedium in bzw. aus der Druckkammer mit wenigen großen oder mit vielen kleinen elektrischen Ventilen zu steuern. Kleinere elektrische Ventile zeichnen sich beispielsweise durch sehr kurze Schaltzeiten aus. Mit großen Ventilen kann beispielsweise ein hoher Volumenfluss durch das Ventil erreicht werden.
Entsprechend der Ausführungsform nach Anspruch 5 wird bevorzugt jeder von den mehreren Druckkammer-Öffnungen (für die erste und die zweite Druckkammer und für die Zufuhr und das Ablassen von Druckmedium) ein eigenes elektrisches Ventil zugeordnet. Die Anzahl von elektrischen Ventilen entspricht also der Summe von allen Druckkammer-Öffnungen für das Zuführen und Abführen von Druckmedium in die erste und in die zweite Druckkammer.
Durch eine derartige Anordnung bzw. Zuordnung von elektrischen Ventilen können die elektrischen Ventile sehr dicht an der ersten Druckkammer bzw. die zweite Druckkammer angeordnet werden, da jede Druckkammer-Öffnung für das Zuführen bzw. Abführen von Druckmedium ein eigenes elektrisches Ventil aufweist. Entsprechend kann ein sehr geringes Totraumvolumen realisiert werden. Ferner kann durch eine derartige Zuordnung der Einlass bzw. der Auslass von Druckmedium in die erste bzw. in die zweite Druckkammer separat voneinander gesteuert werden. Dadurch ergibt sich ein Höchstmaß an Flexibilität und damit hohe Anpassungsfähigkeit der Leistung des Motors an den jeweiligen Betriebszustand oder die jeweilige Lastsituation und/oder Leistungsanforderung in der jeweiligen Betriebssituation.
Entsprechend der beispielhaften Ausführungsform nach Anspruch 6 werden elektrische Ventile mit einem im Verhältnis zur wirksamen uer Schnittsfläche des Kolbens relativ großen minimalen Strömungsquerschnitt verwendet. Dadurch kann der Durchsatz an Druckmedium, die der Druckkammer zugeführt bzw. aus der Druckkammer abgelassen wird, sehr hoch sein und damit eine hohe Leistung des Motors erzielt werden. Bevorzugt sind die uerschnittsflä- chen der übrigen Strömungswege zwischen dem Drucktank, der das Druckmedium für die Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtung beinhaltet, und der entsprechenden Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung jeweils größer als der minimale Strömungsquerschnitt des Ventils. Somit ist bevorzugt der minimale Strömungsquerschnitt des Ventils auch der minimale Strömungsquerschnitt der übrigen Strömungswege zwischen dem Drucktank und der Zylinder-Hubkolben-Vorrich- tung.
Vorzugsweise ist das Druckmedium, das aus der ersten Druckkammer bzw. der zweiten Druckkammer abgelassen wird, ist bei einem Leistungsabgabebetrieb (Motorbetrieb) weniger stark verdichtet als das Druckmedium, das in die erste Druckkammer bzw. in die zweite Druckkammer eintritt. Um die Strömungsgeschwindigkeiten von einströmenden und ausströmenden Druckmedien beispielsweise aneinander anzugleichen, wird gemäß der beispielhaften Ausführungsform nach Anspruch 7 die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte der elektrischen Ventile, die für das Auslassen des Druckmediums zuständig sind, im Verhältnis zu den elektrischen Ventilen, die für das Einlassen von Druckmedium zuständig sind, bevorzugt vergrößert.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 8 weist die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung mindestens zwei Einlass-Erste-Druckkammer-Öffnungen und mindestens zwei Aus- lass-Erste-Druckkammer-Öffnungen auf. Ferner oder alternativ weist die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung mindestens zwei Einlass-Zweite-Druckkammer-Öffnungen und mindestens zwei Auslass-Zweite-Druckkammer-Öffnungen auf.
Bevorzugt sind die mindestens zwei Erste-Druckkammer-Öffnungen (Einlass und Auslass) und die mindestens zwei Zweite-Druckkammer-Öffnungen (Einlass und Auslass) symmetrisch bezogen auf die Rotationsachse des Druckraums angeordnet. Durch die Verwendung mehrerer Erste- bzw. Zweite-Druckkammer-Öffnungen kann die dem Druckraum zugeführte Menge an Druckmedium erhöht werden. Wenn gemäß einer beispielhaften Ausführungsform jede Öffnung der Erste- bzw. Zweite-Druckkammer-Öffnungen ein eigenes elektrisches Ventil aufweist, so können zudem mithilfe der Steuerung und einer individuellen Ansteuerung der elektrischen Ventile alle oder nur eine Anzahl der Öffnungen geöffnet werden. Somit ist mithilfe der Steuerung die Menge an der Druckkammer zugeführtem Druckmedium flexibel anpassbar. Bevorzugt weist gemäß der beispielhaften Ausführungsform nach Anspruch 9 die Zylinder- Hubkolben- Vorrichtung einen Drucksensor zum Messen eines Druckes und/oder einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur auf. Bevorzugt ist nur ein Drucksensor in der ersten Druckkammer bzw. der zweite Druckkammer vorgesehen. Alternativ kann ein Drucksensor jeweils in der ersten Druckkammer und der zweite Druckkammer vorgesehen sein. Bevorzugt ist nur ein Temperatursensor in der ersten Druckkammer bzw. zweiten Druckkammer vorgesehen. Alternativ kann ein Temperatursensor jeweils in der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer vorgesehen sein. Alternativ können weitere Sensoren in einer von der ersten und der zweiten Druckkammer oder jeweils in der ersten und der zweiten Druckkammer vorgesehen sein.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 11 weist der Druckluftmotor mindestens einen Druckregler auf. Bevorzugt ist ein Druckregler zwischen dem jeweiligen Drucktank, in dem sich das jeweilige Druckmedium für eine jeweilige Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung befindet, und der entsprechenden Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung angeordnet. Um beispielsweise hohe Drücke in einem Drucktank auf geringere Drücke zum Zuführen zu verringern können beispielsweise mehrere Druckregler in Form von Reduzierventilen als Druckreduzierstufen vorgesehen sein. Ggfs. sind auch zusätzliche Zwischendrucktanks vorgesehen. Gemäß dieser Ausführungsform ist es beispielhaft möglich, den Druck des Druckmediums, das aus dem Drucktank dem Druckregler zufließt, mithilfe des Druckreglers zu erhöhen oder zu verringern und dann der Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung zuzuführen. Der Druck des Druckmediums beeinflusst die Leistungsabgabe der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung, da bei hohem Druck mehr Kraft auf den Kolben der Zylinder-Hub kolb en- Vorrichtung ausgeübt werden kann. Bevorzugt weist der Druckregler unterschiedliche Ausgangsleitungen (Ausgangsströmungswege) auf, in denen sich der Druck des Druckmediums unterscheiden kann. Somit kann mit einem Druckregler mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen ein Druckmedium mit unterschiedlichem, durch den Druckregler geregelten Druck zugeführt werden. Entsprechend dieser Ausführung ist ein sehr hohes Maß an Flexibilität für die Betriebsweise der einzelnen Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen eines Druckluftmotors gegeben. Mithilfe des Druckreglers lässt sich bevorzugt bei einem Druckluftmotor mit mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen der Druck in jeder der ersten Druckkammern und der zweiten Druckkammern individuell einstellen. Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 12 weist der Druckluftmotor einen Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehstellung der Kurbelwelle auf.
Ferner weist der Druckluftmotor nach Anspruch 12 eine Steuerung auf. Vorzugsweise ist die Steuerung eine elektronische Steuerung. Mit der Steuerung sind die mehreren elektrischen Ventile der Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung beispielsweise derart steuerbar, dass die Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung bedarfsabhängig wahlweise zwischen in einem 1 -Takt-Betrieb, bei dem der Kolben bei jeder Bewegung zwischen den Endstellungen mit Druck beaufschlagt wird, oder in einem Mehrtakt-Betrieb, bei dem der Kolben in einzelnen Bewegungen zwischen den Endstellungen nicht mit Druck beaufschlagt wird, arbeiten, umschaltbar ist
Die Steuerung ist dazu ausgebildet, die elektrischen Ventile der einen oder mehreren Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtungen zu steuern, d. h. zu öffnen und zu schließen. Als Eingangsgröße für die Steuerung dient bevorzugt ein Signal von einem oder mehreren Drehwinkelsensoren, die die Drehstellung der einen oder der mehreren Kurbelwellen bestimmen und diesen Wert an die Steuerung übermitteln können. Die Steuerung kann mithilfe dieser Eingangsgröße bestimmen, in welcher Position sich die Kolben, die mit der entsprechenden Kurbelwelle, auf der sich der Drehwinkelsensor befindet, verbunden sind, befinden.
Beispielsweise kann die Steuerung so ausgelegt sein, dass ein Drehwinkel der Kurbelwelle von 0° bzw. 360° einer Stellung des Kolbens in erster Endstellung entspricht und ein Drehwinkel von 180° einer Stellung des Kolbens in zweiter Endstellung entspricht.
Im Folgenden wird beispielhaft die Steuerung der elektrischen Ventile für den Fall beschrieben, dass die elektrischen Ventile genau dann geöffnet bzw. geschlossen werden, wenn sich der Kolben in der ersten Endstellung bzw. in der zweiten Endstellung befindet. Alternativ kann das Öffnen/Schließen zu beliebigen anderen Zeitpunkten, je nach Lastsituation erfolgen.
In der ersten Endstellung des Kolbens ist das Volumen der ersten Druckkammer minimal und das Volumen der zweiten Druckkammer maximal. Die Steuerung erkennt mithilfe des Drehwinkelsensors der Kurbelwelle, dass sich der Kolben in der ersten Endstellung befindet und öffnet das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zu- führbar ist und schließt das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführbar ist. Ferner öffnet die Steuerung das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer abführbar ist und schließt das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist. Entsprechend dieser Zustände der elektrischen Ventile, wird das erste Druckmedium der ersten Druckkammer zugeführt, baut das erste Druckmedium einen Druck in der ersten Druckkammer auf und drückt somit den Kolben aus der ersten Endstellung in Richtung der zweiten Endstellung des Kolbens. Der Kolben erreicht dann die zweite Endstellung.
In der zweiten Endstellung ist das Volumen der zweiten Druckkammer minimal und ist das Volumen der ersten Druckkammer maximal. Die Steuerung erkennt mithilfe des Drehwinkelsensors der Kurbelwelle, dass sich der Kolben in der zweiten Endstellung befindet, und öffnet, wenn sich der Kolben in der zweiten Endstellung befindet, das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist, und schließt das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer abführ- bar ist. Ferner öffnet die Steuerung das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführbar ist und schließt das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar ist.
Durch die Steuerung lassen sich die elektrischen Ventile bevorzugt aber auch abweichend von der oben skizzierten Weise, bei der das Öffnen und Schließen der elektrischen Ventile genau zu einem Kurbelwinkel von 0°/180°/360° bzw. genau in erster Endstellung oder in zweiter Endstellung stattfindet, öffnen und schließen.
Beispielsweise kann, wenn sich der Kolben von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegt, das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar ist, bereits geöffnet werden, und das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführbar ist, bereits geschlossen werden, bevor der Kolben die erste Endstellung erreicht, vorzugsweise bei einer Drehwinkel der Kurbelwelle von 330°-359°, weiter vorzugsweise von 345°-355°. Ein Kurbelwellendrehwinkel von 0°/360° entspricht bei diesem Beispiel der Stellung des Kolbens in erster Endstellung. Ein Kurbelwellendrehwinkel von 180° entspricht bei diesem Beispiel der Stellung des Kolbens in zweiter Endstellung. Außerdem wird das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist, bereits geschlossen, und das elektrische Ven- til, über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer ablassbar ist, bereits geöffnet, bevor der Kolben die erste Endstellung erreicht, vorzugsweise bei 330°-359°, weiter vorzugsweise bei 345°-355°.
Vorzugsweise bewegt sich der Kolben (unmittelbar nach der oben beschriebenen Weise des Öffnens und Schließens der elektrischen Ventile) aufgrund der Trägheit des gesamten Kurbeltriebs, von dem der Kolben ein Teil ist, in die erste Endstellung (360° Kurbelwellendrehwinkel). Wenn der Kolben sich dann in der ersten Endstellung befindet, wirkt unmittelbar ein höherer Druck auf den Kolben, der ihn in seine zweite Endstellung zurück drückt, verglichen mit einem Fall, bei dem die elektrischen Ventile bei 360° öffnen bzw. schließen.
Entsprechend der oben beispielhaft beschriebenen Steuerzeiten für die erste Endstellung, werden bevorzugt auch die Steuerzeiten für die zweite Endstellung angepasst. Für die zweite Endstellung ergibt sich entsprechend ein Steuerzeitpunkt für das Öffnen bzw. Schließen der elektrischen Ventile bei vorzugsweise 150°-179°, weiter vorzugsweise bei 165°-175°. Dieser Steuerzeitpunkt liegt vor der zweiten Endstellung des Kolbens, wenn dieser sich von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegt. Zu diesem Steuerzeitpunkt wird das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist, und das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführ- bar ist, geöffnet. Außerdem wird das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer abführbar ist, und das elektrische Ventil, über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar ist, geschlossen.
Die Steuerung wird bevorzugt über eine Energiequelle des Fahrzeugs mit Spannung versorgt. Bei mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen kann die Steuerung mit jeder einzelnen der mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen derart in Steuerverbindung stehen, dass sie jedes einzelne der elektrischen Ventile der mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen unabhängig voneinander öffnen und schließen kann. Auf diese Weise kann ein sehr breites Einsatzspektrum und große Flexibilität des Druckluftmotors realisiert werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung der Steuerung können die Steuerzeiten so variabel eingestellt sein, dass sich die Zeitpunkte für das Öffnen und das Schließen der elektrischen Ventile voneinander unterscheiden, um einen geringsten Verbrauch bei bester Leistungsabgabe zu realisieren. Insbesondere lassen sich die Steuerzeiten während des Betriebs variabel verändern bzw. einstellen.
So kann beispielsweise, bezogen auf die erste Endstellung und bei einem sich von der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegenden Kolben, das elektrische Ventil, über das das Druckmedium in die erste Druckkammer zufuhrbar ist, bei 330°-359° Kurbelwellendrehwinkel, weiter vorzugsweise bei 345°-355° geöffnet werden und das elektrische Ventil, über das das Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführbar ist, danach versetzt um einen Kurbelwellendrehwinkel im Bereich von 0,11° bis 10°, vorzugsweise 1° bis 7° ° Kurbelwellendrehwinkel geschlossen werden. Beispielsweise könnte somit das elektrischen Ventil, über das das Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar ist, bei 355° Kurbelwellendrehwinkel geöffnet werden und das elektrische Ventil, über das das Druckmedium aus der ersten Druckkammer abführbar ist, beispielsweise um 1° Kurbelwellendrehwinkel versetzt danach, also bei 356° Kurbelwellendrehwinkel geschlossen werden.
Gleiches gilt selbstverständlich entsprechend bezogen auf die elektrischen Ventile der zweiten Druckkammer bezogen auf die zweite Endstellung.
Mit der Steuerung kann eine Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung in einem 1 -Taktbetrieb oder einem Mehr-Takt-Betrieb betrieben werden.
In einem 1-Taktbetrieb wird der Kolben bei jeder Bewegung zwischen der ersten Endstellung und der zweiten Endstellung mit Druck beaufschlagt. In anderen Worten wird immer abwechselnd ein Druckmedium der ersten Druckkammer zugeführt, um den Kolben in Richtung der zweiten Endstellung zu drücken, und wird ein Druckmedium in die zweite Druckkammer zugeführt, um den Kolben von der zweite Endstellung zurück in die erste Endstellung zu drücken.
Bei einem Mehr-Takt-Betrieb hingegen wird der Kolben nicht bei jedem Takt mit Druck beaufschlagt. Beispielsweise kann bei einer Zylinder-Hubkolben- Vorrichtung das elektrische Ventil, über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer abgeführt wird stets geöffnet sein, so dass in der zweiten Druckkammer Umgebungsdruck herrscht. Entsprechend wird auch kein Druckmedium der zweiten Druckkammer zugeführt. Beispielsweise wird im- mer dann, wenn sich der Kolben in (oder nahe) der ersten Endstellung befindet, wird Druckmedium der ersten Druckkammer zugeführt. Das Zuführen des Druckmediums in die erste Druckkammer erfolgt also mit jeder zweiten Hubbewegung des Kolbens. Entsprechend handelt es sich bei diesem Beispiel um einen Mehrtaktbetrieb, nämlich einen Zeittaktbetrieb der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 13 ist mithilfe der Steuerung die Drehrichtung der Kurbelwelle umkehrbar.
Bevorzugt erkennt die Steuerung bei Stillstand des Fahrzeugs in welcher Position (Kurbelwellendrehwinkel) sich die Kurbelwelle befindet. Wahlweise kann die Steuerung die elektrischen Ventile derart steuern, dass entweder Druckmedium zunächst in die erste Druckkammer zugeführt wird oder Druckmedium zunächst in die zweite Druckkammer zugeführt wird. Abhängig von der ausgewählten Druckkammer kann der Kolben nach oben oder nach unten ausgehend von der Stillstandposition bewegt werden. Davon abhängig, ob sich der Kolben aufwärts oder abwärts bewegt wird, dreht sich die Kurbelwelle im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Dies entspricht einer Vorwärts- bzw. Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 14 weisen mindestens zwei der Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtungen eine gemeinsame Kolbenstange auf, die mit jedem der Kolben der Hub Vorrichtungen verbunden ist.
Entsprechend dieser Ausführungsform sind mehrere Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen in Reihe miteinander geschaltet. In anderen Worten sind die Kolben der mindestens zwei Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtungen mit derselben Kolbenstange verbunden, sodass sich die Kolben synchron auf und abbewegen. Die Hubhöhen der mindestens zwei Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen sind entsprechend identisch. Das Hubvolumen hingegen kann sich beispielsweise durch unterschiedliche Außendurchmesser der jeweiligen Kolben der mindestens zwei Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtungen unterscheiden. Entsprechend drücken beispielsweise die Kolben der mindestens zwei Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen gemeinsam die Kolbenstange nach unten bzw. oben. Die Kolbenstange ist mit einer Kurbelwelle verbunden.
Die mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen können gleich sein oder sich, beispielsweise bezogen auf die wirksame Querschnittsfläche der Kolben unterscheiden. Die mindestens zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen können auf der gleichen Seite bzw. auf gegenüberliegenden Seiten bezogen auf die Verbindung von Kurbelwelle und Kolbenstange angeordnet sein. Dadurch kann der Druckluftmotor an die jeweiligen räumlichen Voraussetzungen flexibel angepasst werden
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 16 weist der Druckluftmotor mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen mit jeweils einer Kolbenstange auf. Die jeweils eine Kolbenstange ist mit derselben Kurbelwelle verbunden. Entsprechend dieser Ausführungsform sind mehrere Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen also parallel miteinander geschaltet.
Im Unterschied zu der oben genannten Reihenschaltung von Zylinder-Hub kolben- Vorrichtungen, bei denen die Hubhöhe stets identisch ist, kann bei parallel geschalteten Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen die Hubhöhe unterschiedlich sein. Größere Hubhöhen lassen sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die Kurbelarme der gemeinsamen Kurbelwelle, mit dem die jeweilige Kolbenstange verbunden ist, länger ausgeführt werden und damit die Verbindung zwischen Kolbenstange und Kurbelarm radial weiter von der Drehachse der Kurbelwelle entfernt ist als bei einem kurzen Kurbelarm. Bei einer halben Umdrehung der Kurbelwelle resultiert der längere Kurbelarm entsprechend in einem größeren Hub der Kolbenstange. Auf diese Weise lassen sich mit einer Kurbelwelle und unterschiedlichen Kurbelarmen unterschiedliche Hübe von Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen realisieren.
Beispielsweise kann der Druckluftmotor in der Bauform eines Sternmotors, Boxermotors, Gegenkolbenmotors, V-Motors usw. aufgebaut sein. Bei einem Sternmotor sind die mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen beispielsweise radial um die Kurbelwelle herum angeordnet.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 17 sind die mindestens zwei Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen, und/oder die Kolbenstangen und/oder die Kurbelarme der Kurbelwelle, mit denen die Kolbenstangen verbunden sind, unterschiedlich ausgebildet. Somit können die mindestens zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen mit verschiedenen Hubvolumen und/oder Hubhöhen vorgesehen sein. Bei in Reihe geschalteten Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen können sich beispielsweise die wirksamen Querschnittsflächen (insbesondere die Kolbenaußendurchmesser) unterscheiden.
Bei parallel geschalteten Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen können sich beispielsweise die Hubhöhen durch unterschiedlich lange Kurbelarme der gemeinsamen Kurbelwelle, an deren Ende die Kolbenstange mit der Kurbelwelle verbunden ist, unterscheiden.
Entsprechend dieser Ausführungsform ist es möglich, die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen eines Druckluftmotors derart flexibel auszulegen und aufeinander abzustimmen, dass ein auf den jeweiligen Anwendungsfall optimal zugeschnittener Druckluftmotor bereitgestellt werden kann. Die verschiedenen Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen können unterschiedlich sein und unabhängig voneinander abschaltbar sein.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 18 ist der Druck des ersten und/oder zweiten Druckmediums je erster und zweiter Druckkammer der mindestens zwei der Zylin- der-Hubkolben-Vorrichtungen unabhängig voneinander einstellbar. Insbesondere sind die mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen unabhängig voneinander abschaltbar. Weiterhin sind sie vorzugsweise auch mit verschiedenen Medien und/oder verschiedenen Drücken befüllbar.
Beispielsweise kann der Druck je Druckkammer mithilfe eines Druckreglers, der sich zwischen der ersten bzw. der zweiten Druckkammer und dem Drucktank befindet eingestellt werden. Beispielsweise kann bei einer derartigen Ausführung wahlweise die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung im Mehr-Taktbetrieb nur mit dem ersten Druckmedium betrieben werden o- der nur mit dem zweiten Druckmedium betrieben werden. Zusätzlich kann eine Zylinder- Hubkolben- Vorrichtung wahlweise abgeschaltet werden. Abgeschaltet bedeutet beispielsweise, dass die elektrischen Ventile der entsprechenden Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung verschlossen bleiben und der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung kein Druckmedium zugeführt wird.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 19 sind die ersten Druckmedien der mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen zumindest teilweise unterschiedlich voneinander. Beispielsweise können die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen mit unterschiedlichen Drucktanks verbunden sein bzw. mit unterschiedlichen Bereichen eines Drucktanks verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ sind die zweiten Druckmedien der mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen zumindest teilweise unterschiedlich voneinander.
Eine derartige Ausführungsform bietet hohe Flexibilität der verwendeten Druckmedien, die je nach Verfügbarkeit und Flash oder Einsatzzweck gewechselt werden können.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 20 steuert die Steuerung die mehreren elektrischen Ventile von mehreren Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen derart, dass mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen mit unterschiedlichen Takten arbeiten und/oder mit unterschiedlichen Druckdifferenzen zwischen der ersten und zweiten Druckkammer in der ersten und zweiten Endstellung arbeiten und /oder unabhängig voneinander abschaltbar sind.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 21 legt die Steuerung die Steuerzeiten der mehreren elektrischen Ventile in Abhängigkeit von einer Lastsituation fest. Die Lastsituation ergibt sich beispielsweise auch Lastanforderung (Gaspedal), Druck und Drehzahl.
Steuerzeiten sind die Zeitpunkte, in denen die Ventil-Verschlussteile die Ventil- Strömungskanäle der elektrischen Ventile für das Zuführen bzw. das Ablassen von dem ersten bzw. zweiten Druckmedium in die erste bzw. zweite Druckkammer freigegeben. Die Anpassung der Steuerzeiten erlaubt eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten. Diese Steigerung kann als Leistungs- und Drehmomentgewinn und als Kraftstoffeinsparung zum Tragen kommen.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 22 ist die Kolbenstange linear geführt und dann über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden. Entsprechend dieser Ausführungsform wird gewährleistet, dass der Druckraum nach außen zuverlässig abgedichtet werden kann. Eine zuverlässige Abdichtung ist durch die rein lineare auf und ab Bewegung der Kolbenstange möglich. Jeder mögliche Kurbetrieb, der eine lineare auf und ab Bewegung der Kolbenstange realisiert, kann bevorzugt verwendet werden. Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 25, dient bei einem Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung der mindestens eine Drucktank als Träger der Fahrzeugkarosserie und/oder des Fahrgestells. Der mindestens eine Drucktank kann integral durch tragende Karosseriebauteile und/oder als zentral verlaufender Holm ausgebildet sein.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Fahrzeugs kann eine sehr kompakte und steife Bauweise erreicht werden. Der Drucktank dient zum einen der Speicherung des Druckmediums und dient gleichzeitig auch als Träger für die Fahrzeugkarosserie. Alternativ kann der Drucktank auch integral durch Karosseriebauteile ausgebildet sein. Ein großer Drucktank kann dazu beispielsweise zentral in Längsrichtung des Fahrzeugs angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise auch mehrere kleinere Drucktanks angeordnet sein.
Weiterhin können ein oder mehrere Drucktanks beispielsweise in einem Anhänger oder Ähnlichem mitgeführt werden.
Bei einem Fahrzeug können mehrere Druckluftmotoren verwendet werden. Die mehreren Druckluftmotoren können an unterschiedlichen Stellen in dem Fahrzeug angeordnet sein. Es können mehrere auch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Gemäß der beispielhaften Ausgestaltung nach Anspruch 30 weist das Fahrzeug einen Freilauf auf. Mit dem Freilauf ist der Kraftfluss zwischen einem Druckluftmotor und einem Antriebsrad unterbrechbar, so dass der Druckluftmotor während der Fahrt des Fahrzeugs abschaltbar ist.
Der Freilauf kann so ausgebildet sein, dass er sowohl bei Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs als auch bei Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs zuschaltbar ist und das Abschalten des Druckluftmotors entsprechend sowohl bei Vorwärtsfahrt als auch bei Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs erlaubt. Der Freilauf kann zusätzlich mit Über- oder Untersetzung, die optional auch schaltbar sind, ausgestattet sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Zylinder-Hub kolb en- Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem sich in Mittelstellung befindlichen Kolben.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 markierten Bereich A in vergrößerter schematischer Darstellung.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem sich in erster Endstellung befindlichen Kolben, elektrischen Ventilen in geschlossener Stellung und einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange zur Darstellung des ersten Totraumvolumens und des zweiten Totraumvolumens. Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufbau eines Druckluftmotor gemäß einer ersten Ausführungsform, bei der sich der Kolben in zweiter Endstellung befindet.
Fig. 5 zeigt den in Fig. 4 gezeigten Druckluftmotor, bei dem sich der Kolben in erster Endstellung befindet.
Fig. 6 zeigt verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Druckluftmotors in schematischer Darstellung.
Fig. 7 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem sich in Mittelstellung befindlichen Kolben. Die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung 1 weist einen Hohlzylinder 5 mit der Rotationsachse R auf. Der Hohlzylinder 5 ist nach oben und unten verschlossen. Die Hohlzylinderinnenwand 10 des Hohlzylinders 5 bildet einen Druckraum 20 aus. Eine Mantelfläche 25 begrenzt den Druckraum 20 in radialer Richtung. Eine Deckenwand 30 begrenzt den Druckraum 20 in axialer Richtung nach oben. Eine Bodenwand 40 begrenzt den Druckraum 20 in axialer Richtung nach unten. In dem Druckraum 20 befindet sich der Kolben 15. Der Kolben 15 befindet sich in Fig. 1 etwa mittig zwischen der Deckenwand 30 und der Bodenwand 40. Der Kolben 15 teilt den Druckraum 20 in eine erste Druckkammer 55, die zwischen dem Kolben 15 und der Deckenwand 30 liegt, und eine zweite Druckkammer 60, die zwischen dem Kolben 15 und der Bodenwand 40 liegt, auf. Der Kolben 15 ist beweglich in dem Druckraum 20 angeordnet. Abhängig von der Position des Kolbens 15 verändert sich somit das Volumen der ersten Druckkammer bzw. der Zweite Druckkammer.
In der Deckenwand 30 des Hohlzylinders 5 befinden sich zwei Erste-Druckkammer-Öffnun- gen 35. Die linke der zwei gezeigten Erste-Druckkammer-Öffnungen 35 ist eine Einlass- Erste-Druckkammer Öffnung 36, über die ein Druckmedium in die erste Druckkammer 55 zuführbar ist. Die rechte der zwei gezeigten Erste-Druckkammer-Öffnungen 35 ist eine Auslass- Erste-Druckkammer-Öffnung 37, über die ein Druckmedium aus der ersten Druckkammer ablassbar bzw. ausstoßbar ist.
In der Bodenwand 40 des Hohlzylinders 5 befinden sich zwei Zweite-Druckkammer-Öffnun- gen 45. Die linke der zwei gezeigten Zweite-Druckkammer-Öffnungen 45 ist eine Einlass- Z weite-Druckkammer Öffnung 46, über die ein Druckmedium in die zweite Druckkammer 60 zuführbar ist. Die rechte der zwei gezeigten Zweite-Druckkammer-Öffnungen 45 ist eine Auslass-Z weite-Druckkammer-Öffnung 47, über die ein Druckmedium aus der zweiten Druckkammer 60 ablassbar bzw. ausstoßbar ist.
In der Bodenwand 40 befindet sich ferner eine Kolbenstangen-Öffnung 50. Durch die Kolben- stangen-Öffnung 50 kann eine Kolbenstange von außen in den Druckraum 20 geführt werden. In jeder von der Einlass-Erste-Druckkammer Öffnung 36, der Auslass-Erste-Druckkammer Öffnung 37, der Einlass-Z weite-Druckkammer Öffnung 46 und der Auslass-Zwei te-Druck- kammer Öffnung 47 befindet sich ein elektrisches Ventil 65. Das elektrische Ventil 65 ist jeweils vereinfacht dargestellt.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 markierten Bereich A in vergrößerter schematischer Darstellung. In der Deckenwand 30 des Hohlzylinders 5 befindet sich die Einlass-Erste-Druckkamm er-Öff- nung 36 und die Auslass-Erste-Druckkammer Öffnung 37.
In schematischer Weise ist ein elektrisches Ventil 65 gezeigt, welches in die Einlass-Erste- Druckkammer Öffnung 36 eingesetzt ist. Das elektrische Ventil 65 ist fluiddicht in die Einlass-Erste-Druckkammer Öffnung 36 eingesetzt. Das elektrische Ventil 65 umfasst einen Ventil-Strömungskanal 66, der mithilfe eines Ventil- Verschlussteils 67 verschließbar ist. Das Ventil- Verschlussteil 67 der Einlass-Erste-Druckkammer-Öffnung 36 befindet sich in offener Stellung. Der Strömungskanal 66 weist bei offener Stellung des Ventil-Verschlussteils 67 einen minimalen Strömungsquerschnitt 68 auf. Die Darstellung des Ventils und insbesondere des Ventil-Verschlussteils 67 ist als schematische Darstellung zu verstehen, die der Verdeutlichung der relevanten Merkmale des elektrischen Ventils dient.
In schematischer Weise ist ein elektrisches Ventil 65 gezeigt, welches in die Auslass-Erste- Druckkammer Öffnung 37 eingesetzt ist. Das elektrische Ventil 65 ist fluiddicht in die Aus- lass-Erste-Druckkammer Öffnung 37 eingesetzt. Das elektrische Ventil 65 umfasst einen Ventil-Strömungskanal 66, der mithilfe eines Ventil- Verschlussteils 67 verschließbar ist. Das Ventil- Verschlussteil 67 der Auslass-Erste-Druckkammer-Öffnung 36 befindet sich in geschlossener Stellung. Der Strömungskanal 66 ist somit versperrt.
Fig. 3 zeigt eine Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem sich in erster Endstellung befindlichen Kolben 15, elektrischen Ventilen in geschlossener Stellung und einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange 70 zur Darstellung des ersten Totraumvolumens und des zweiten Totraumvolumens.
Der gezeigte Zustand in Fig. 3 kann beispielsweise dem Zustand bei Stillstand des Fahrzeugs entsprechen. Die elektrischen Ventile 67 befinden sich alle in geschlossener Stellung. Der Kolben 15 befindet sich in erster Endstellung OT. In gestrichelte Linie ist der Kolben 15 ebenfalls in zweiter Endstellung UT dargestellt. Zwischen der ersten Endstellung OT und der zweiten Endstellung UT bewegt sich der Kolben 15 mit dem Hub H. Der Kolben 15 hat den Kolbenaußendurchmesser DK.
Das mit Druckmedium befüllbare Volumen, dass sich zwischen dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil-Verschlussteil 67 der Einlass-Erste-Druckkammer Öffnung 36 und dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil-Verschlussteil 67 der Auslass-Erste- Druckkammer Öffnung 37 und dem Kolben 15 befindet, ist das erste Totraumvolumen 56.
Das erste Totraumvolumen 56 setzt sich somit also zum einen aus dem Volumen der ersten Druckkammer 55 zusammen, die sich ausbildet, wenn sich der Kolben 15 in erster Endstellung OT befindet, und zum anderen aus dem mit Druckmedium befüllbaren Volumen, das sich zwischen dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil-Verschlussteil 67 der Einlass-Erste-Druckkammer Öffnung 36 und dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil- Verschlussteil 67 der Auslass-Erste-Druckkammer Öffnung 37 und der ersten Druckkammer 55 befindet. Das erste Totraumvolumen 56 ist in der Fig. 3 in gepunkteter Darstellung oberhalb des Kolbens 15 gezeigt.
Das mit Druckmedium befüllbare Volumen, dass sich zwischen dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil-Verschlussteil 67 der Einlass-Zweite-Druckkammer Öffnung 46 und dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil-Verschlussteil 67 der Auslass-Zweite- Druckkammer Öffnung 47 und dem Kolben 15 befindet, ist das zweite Totraumvolumen 57.
Das zweite Totraumvolumen 57 setzt sich somit also zum einen aus dem Volumen der zweiten Druckkammer 60, die sich ausbildet, wenn sich der Kolben 15 in zweiter Endstellung UT befindet, und zum anderen aus dem mit Druckmedium befüllbaren Volumen, das sich zwischen dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil- Verschlussteil 67 der Einlass- Zweite-Druckkammer Öffnung 46 und dem in geschlossener Stellung befindlichen Ventil- Verschlussteil 67 der Auslass-Zweite-Druckkammer Öffnung 47 und der zweiten Druckkammer 60 befindet. Das zweite Totraumvolumen 57 ist in der Fig. 3 in gepunkteter Darstellung unterhalb des Kolbens 15 gezeigt.
Fig. 4 zeigt einen Druckluftmotor gemäß einer ersten Ausführungsform, bei der sich der Kolben in zweiter Endstellung UT befindet. Der Druckluftmotor umfasst eine Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung Erste Mit dem Kolben 15 der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung 1 ist eine Kolbenstange 70 verbunden. Über jeweils eine Pleuel 71 ist die Kolbenstange 70 mit 2 Kurbelwellen 75 verbunden. Der in Fig. 4 gezeigte Kurbeltrieb ist ein sogenannter Doppelkurbeltrieb. Die Kolbenstange 70 verläuft durch die Kolbenstange-Öffnung 50 der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung Erste Die Kolbenstange-Öffnung 50 ist mit Dichtungen 79 gegen die Kolbenstange 70 abgedichtet.
Mit Pfeilen ist in der Fig. 4 die Strömungsrichtung des Druckmediums in die erste Druckkammer sowie aus der zweiten Druckkammer angedeutet. Der in Fig.4 gezeigte Zustand entspricht einem Zustand, bei dem das Druckmedium durch die Zuführ-Erste-Druckkammer Öffnung 36 in die erste Druckkammer 55 zugeführt wird und gleichzeitig das Druckmedium aus der zweiten Druckkammer 60 aus der Auslass-Zweite-Druckkammer Öffnung 47 ausgelassen wird.
Der in Fig. 4 gezeigte Zustand entspricht einenm beispielhaften Steuerzustand der elektrischen Ventile, bei dem die elektrischen Ventile genau in der ersten Endstellung bzw. in der zweiten Endstellung geschaltet werden. Die Steuerzeiten entsprechen somit einer Kurbelwinkelstellung von 0°/180°/360°. Die Auslass-Erste-Druckkammer Öffnung 37 sowie die Zuführ-Zweite-Druckkammer Öffnung 46 sind jeweils durch ein elektrisches Ventil 65 mit in geschlossener Stellung befindliche Ventil- Verschlussteil 67 verschlossen. Der Kolben bewegt sich durch einen derartigen Fluss der Druckmedien in der ersten Druckkammer 55 bzw. der zweiten Druckkammer 60 in seine zweite Endstellung UT. Der in Fig.4 gezeigte Kolben 15 ist entsprechend gerade in die zweite Endstellung UT gelangt. Auf diesen Zustand folgt die Umschaltung der Ventile von „auf ‘ zu „zu“ bzw. von „zu“ zu „auf‘.
Fig. 5 zeigt einen Zustand, bei dem sich der Kolben 15 in erster Endstellung OT befindet. Mit Pfeilen ist in der Fig. 5 die Strömungsrichtung des Druckmediums in die erste Druckkammer sowie aus der zweiten Druckkammer angedeutet. Der in Fig. 5 gezeigte Zustand entspricht einem Zustand, bei dem das Druckmedium durch die Zuführ-Zweite-Druckkammer Öffnung 46 in die zweite Druckkammer 60 zugeführt wird und gleichzeitig das Druckmedium aus der ersten Druckkammer 60 aus der Auslass-Erste-Druckkammer Öffnung 37 ausgelassen wird.
Die Zuführ-Erste-Druckkammer Öffnung 36 sowie die Auslass-Z weite-Druckkammer Öffnung 47 sind jeweils durch ein elektrisches Ventil 65 mit in geschlossener Stellung befindliche Ventil- Verschlussteil 67 verschlossen.
Der Kolben 15 bewegt sich durch einen derartigen Fluss der Druckmedien in der ersten Druckkammer 55 bzw. der zweiten Druckkammer 60 in seine erste Endstellung OT. Der in Fig. 5 gezeigte Kolben befindet sich bereits in der ersten Endstellung OT.
Fig. 6 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Druckluftmotors in schematischer Ansicht.
I zeigt einen Druckluftmotor mit zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen Erste Die zwei Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind über eine gemeinsame Kolbenstange 70 mit zwei Kurbelwellen 75 verbunden. Die zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Kurbelwellen 75. Die zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind gleich groß.
II zeigt einen Druckluftmotor mit drei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen Erste Die drei Zy- linder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind über eine gemeinsame Kolbenstange 70 mit zwei Kurbelwellen 75 verbunden. Zwei Zylinder-Hub kolben- Vorrichtungen 1 befinden sich oberhalb der Kurbelwellen 75 und eine Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung 1 befindet sich unterhalb der Kurbelwellen 75. Die drei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind unterschiedlich groß, weisen aber den gleichen Hub auf.
III zeigt einen Druckluftmotor mit zehn Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen Erste Der Druckluftmotor weist zwei nebeneinander liegende Kurbelwellen 75 auf (entsprechend der Ausführung in I und II).
Vier der insgesamt zehn Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind über eine gemeinsame erste Kolbenstange 70 mit den Kurbelwellen 75 verbunden. Weitere vier der zehn Zylinder- Hubkolben- Vorrichtungen 1 sind über eine gemeinsame zweite Kolbenstange 70 mit den Kurbelwellen 75 verbunden. Weitere zwei der zehn Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1 sind über eine gemeinsame dritte Kolbenstange 70 mit den Kurbelwellen 75 verbunden. Die zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen 1, die mit der dritten Kolbenstange 70 verbunden sind, weisen eine größere Hubhöhe als die übrigen acht Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen auf. Größere Hubhöhen lassen sich dadurch erreichen, dass die Kurbelarme der Kurbelwelle, der die jeweilige Kolbenstange verbunden ist, länger ausgeführt werden und damit die Verbindung zwischen Kolbenstange und Kurbelarm radial weiter von der Drehachse der Kurbelwelle entfernt ist als bei einem kurzen Kurbelarm. Bei einer halben Umdrehung der Kurbelwelle resultiert der längere Kuppelarm entsprechend in einem größeren Hub der Kolbenstange. Auf diese Weise lassen sich mit einer Kurbelwelle und unterschiedlichen Kuppelarmen unterschiedliche Flüge von Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen realisieren.
Fig. 7 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform in schematischer Darstellung. Fig. 7 zeigt ein Fahrzeug 150 mit vier Antriebsrädern 106 jedes der vier Antriebsräder wird über einen eigenen Druckluftmotor 100 angetrieben. Die entsprechenden vier Druckluftmotoren 100 sind an einem Drucktank 105 angebracht. Der Drucktank 105 verläuft in Längsrichtung zentral in dem Fahrzeug 150.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
Bezugszeichenliste
1 Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung
5 Hohlzylinder
10 Hohlzylinderinnenwand
15 Kolben
20 Druckraum
25 Mantelfläche
30 Deckenwand
35 Erste-Druckkammer-Öffnung
36 Einlass-Erste-Druckkamm er-Öffnung
37 Auslass-Erste-Druckkammer-Öffnung
40 Bodenwand
45 Zweite-Druckkammer-Öffnung
46 Einlass-Zweite-Druckkammer-Öffnung
47 Auslass-Z weite-Druckkammer-Öffnung
50 Kolbenstangen-Öffnung
51 Drucksensor
52 Temperatursensor
55 erste Druckkammer
56 erstes Totraumvolumen
57 zweites Totraumvolumen
60 zweite Druckkammer
65 elektrisches Ventil
66 Ventil- Strömungskanal
67 Ventil- Verschlussteil
68 minimaler Strömungsquerschnitt
70 Kolbenstange
100 Druckluftmotor
105 Drucktank
106 Antriebsrad
OT erste Endstellung
UT zweite Endstellung
H Kolbenhub DK Kolbenaußendurchmesser

Claims

Patentansprüche
1. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) für einen Druckluftmotor (100), die aufweist: einen nach oben und unten verschlossenen Hohlzylinder (5) mit einer Hohlzylinderinnenwand (10), einen Kolben (15), mehrere elektrische Ventile (65), die jeweils dazu ausgebildet sind, einen Ventil- Strömungskanal (66) mithilfe eines Ventil-Verschlussteils (67) zu verschließen, wobei die Hohlzylinderinnenwand (10) einen Druckraum (20) ausbildet und aufweist:
- eine Mantelfläche (25), die den Druckraum (20) in radialer Richtung begrenzt,
- eine Deckenwand (30), die den Druckraum (20) in axialer Richtung nach oben begrenzt,
- eine Bodenwand (40), die den Druckraum (20) in axialer Richtung nach unten begrenzt, und
- eine Kolbenstangen-Öffnung (50) in der Boden- und/oder Deckenwand (30, 40), die dazu ausgebildet ist, dass eine Kolbenstange (70) durch sie von außen in den Druckraum (20) führbar ist, der Kolben (15) derart in dem Druckraum (20) angeordnet ist, dass er den Druckraum (20) in eine erste Druckkammer (55) zwischen dem Kolben (15) und der Deckenwand (30) und eine zweite Druckkammer (60) zwischen dem Kolben (15) und der Bodenwand (40) aufteilt, der Kolben (15) in dem Druckraum (20) in axialer Richtung zwischen einer ersten Endstellung (OT), bei der sich der Kolben (15) in der Nähe oder Anlage mit der Deckenwand (30) befindet und einer zweiten Endstellung (UT), bei der sich der Kolben (15) in der Nähe oder in Anlage mit der Bodenwand (40) befindet, druckdicht verschiebbar ist, und die Hohlzylinderinnenwand (10) ferner aufweist:
- mindestens eine Erste-Druckkamm er-Öffnung (35), über die ein erstes Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der
37 mehreren elektrischen Ventile (65) in die erste Druckkammer (55) zuführbar und/oder ablassbar ist, und
- mindestens eine Zweite-Druckkammer-Öffnung (45), über die ein zweites Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der mehreren elektrischen Ventile (65) in die zweite Druckkammer (60) zuführbar und/oder ablassbar ist.
2. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung (1) zwischen der ersten Endstellung (OT) und der zweiten Endstellung (UT) einen Kolbenhub (H) aufweist und der Kolben (15) einen Kolbenaußendurchmesser (DK) aufweist, und der Kolbenhub (H) kleiner als der Kolbenaußendurchmesser (DK) ist.
3. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung (1) ein erstes Hubraumvolumen, das sich aus dem Kolbenhub (H) und der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die erste Druckkammer (55) ergibt, und ein zweites Hubraumvolumen, das sich aus dem Kolbenhub (H) und der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die zweite Druckkammer (60) ergibt, aufweist und die Ventil-Strömungskanäle (66) der mehreren elektrischen Ventile (65) mithilfe der Ventil-Verschlussteile (67) derart verschließbar sind, dass ein erstes Totraumvolumen (56) bei in der ersten Endstellung (OT) befindlichem Kolben (15) ausgebildet wird, das kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter vorzugsweise kleiner als 5%, weiter vorzugsweise kleiner als 2,5%, weiter vorzugsweise kleiner als 1% des ersten Hubraumvolumens ist, ein zweites Totraumvolumen (57) bei in der zweiter Endstellung (UT) befindlichem Kolben (15) ausgebildet wird, das kleiner als 30%, vorzugsweise kleiner als 15%, weiter vorzugsweise kleiner als 5%, weiter vorzugsweise kleiner als 2,5%, weiter vorzugsweise kleiner als 1% des zweiten Hubraumvolumens ist, wobei das erste Totraumvolumen (56) durch das Volumen der ersten Druckkammer (55) bei in der ersten Endstellung (OT) befindlichem Kolben (15) und einem mit dem ersten Druckmedium befüllbaren Volumen, das zwischen dem Ventil-Verschlussteil (67) des mindestens einen elektrischen Ventils (65) im geschlossenen Zustand, über das das erste
38 Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, und der ersten Druckkammer (55) ausgebildet ist, ausgebildet wird, und das zweite Totraumvolumen (57) durch das Volumen der zweiten Druckkammer (60) bei in der zweiten Endstellung (UT) befindlichem Kolben (15) und einem mit dem zweiten Druckmedium befüllbaren Volumen, das zwischen dem Ventil- Verschlussteil (67) des mindestens einen elektrischen Ventils (65) im geschlossenen Zustand, über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar und/oder ablassbar ist, und der zweiten Druckkammer (55) ausgebildet ist, ausgebildet wird.
4. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die mindestens eine Erste-Druckkamm er-Öffnung (35) in der Deckenwand (30) angeordnet ist und die mindestens eine Zweite-Druckkammer-Öffnung (45) in der Bodenwand (40) angeordnet ist.
5. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer oder mehreren Einlass-Erste-Druckkamm er-Öffnungen (36), über die das erste Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der mehreren elektrischen Ventile (65) in die erste Druckkammer (20) zuführbar ist, und einer oder mehreren Auslass-Erste-Druckkamm er-Öffnungen (37), über die das erste Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der mehreren elektrischen Ventile (65) aus der ersten Druckkammer (55) ablassbar ist, und/oder einer oder mehreren Einlass-Zweite-Druckkammer-Öffnungen (46), über die das zweite Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der mehreren elektrischen Ventile (65) in die zweite Druckkammer (60) zuführbar ist, und einer oder mehreren Auslass-Z weite-Druckkammer-Öffnungen (47), über die das zweite Druckmedium durch den Ventil- Strömungskanal (66) jeweils eines der mehreren elektrischen Ventile (65) aus der zweiten Druckkammer (60) ablassbar ist, wobei für jede der mehreren Druckkammer-Öffnungen ein eigenes elektrisches Ventil vorgesehen ist, über das das erste bzw. zweite Druckmedium zugeführt bzw. abgelassen wird.
6. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, bei dem der Ventil- Strömungskanal (66) der mehreren elektrischen Ventile (65) im offenen Zustand einen minimalen Strömungsquerschnitt (68) aufweist, die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zufuhrbar ist, größer als 10%, vorzugsweise größer als 20% der wirksamen Quer- schnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die erste Druckkammer (55) ist, und/oder die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das erste Druckmedium aus der ersten Druckkammer ablassbar ist, größer als 10%, vorzugsweise größer als 20% der wirksamen Quer- schnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die erste Druckkammer (55) ist, und/oder die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist, größer als 10%, vorzugsweise größer als 20% der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die zweite Druckkammer (55) ist, und/oder die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer ablassbar ist, größer als 10%, vorzugsweise größer als 20% der wirksamen Querschnittsfläche des Kolbens (15) bezogen auf die zweite Druckkammer (55) ist.
7. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das erste Druckmedium in die erste Druckkammer zuführbar ist, kleiner ist als die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das erste Druckmedium aus der zweiten Druckkammer ablassbar ist, und/oder die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte (68) des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das zweite Druckmedium in die zweite Druckkammer zuführbar ist, kleiner ist als die Summe der minimalen Strömungsquerschnitte des mindestens einen elektrischen Ventils (65), über das das zweite Druckmedium aus der zweiten Druckkammer ablassbar ist.
8. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, aufweisend: mindestens zwei Einlass-Erste-Druckkammer-Öffnungen (36) und mindestens zwei Auslass-Erste-Druckkammer-Öffnungen (37), und/oder mindestens zwei Einlass-Z weite-Druckkammer-Öffnungen (46) und mindestens zwei Auslass-Zweite-Druckkammer-Öffnungen (47).
9. Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Drucksensor (51) zum Messen eines Druckes in der ersten Druckkammer (55) und/oder in der zweiten Druckkammer (60) und/oder ein Temperatursensor (52) zum Messen einer Temperatur in der ersten Druckkammer (55) und/oder in der zweiten Druckkammer (60) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Deckenwand (30) und/oder die Bodenwand (40) eine Ausnehmung aufweist, in der der Drucksensor und/oder der Temperatursensor aufnehmbar ist.
10. Druckluftmotor (100), der aufweist: eine Zylinder-Hub kolben- Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, eine Kolbenstange (70), und eine Kurbelwelle (75), wobei die Kolbenstange (70) mit dem Kolben (15) der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung (1) verbindbar ist und sich von dem Kolben (15) durch die mindestens eine Kolbenstan- gen-Öffnung (50) beweglich nach außen erstreckt, und die Kurbelwelle (75) derart mit der Kolbenstange (70) koppelbar ist, dass die Hin und Her Bewegung der Kolbenstange (70) in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle (75) überführt wird.
11. Druckluftmotor (100) nach Anspruch 10, der ferner aufweist: einen Druckregler, mit dem der Druck des den elektrischen Ventilen (65) zugeführten ersten und/oder zweiten Druckmediums einstellbar ist, oder einen Druckregler, mit dem der Druck des den elektrischen Ventilen (65) zugeführten ersten und/oder zweiten Druckmediums je erster und zweiter Druckkammer (55, 60) einstellbar ist.
12. Druckluftmotor (100) nach Anspruch 10 oder 11, der ferner aufweist: einen Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehstellung der Kurbelwelle (75), der eine Steuerung der mehreren elektrischen Ventile (65) in Abhängigkeit des Drehwinkels der Kurbelwelle (75) ermöglicht, und eine Steuerung, mit der die mehreren elektrischen Ventile (65) der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung (1) derart steuerbar sind, dass die Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung (1) bedarfsabhängig wahlweise zwischen
- einem 1 -Takt-Betrieb, bei dem der Kolben (15) bei jeder Bewegung zwischen den Endstellungen mit Druck beaufschlagt wird, oder
- einem Mehrtakt-Betrieb, bei dem der Kolben (15) in einzelnen Bewegungen zwischen den Endstellungen nicht mit Druck beaufschlagt wird, umschaltbar ist, und
13. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem mithilfe der Steuerung die Drehrichtung der Kurbelwelle (75) umkehrbar ist.
14. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, der aufweist: mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1), die eine gemeinsame Kolbenstange (70) aufweisen, die mit jedem der Kolben (15) der Hubvorrichtungen (1) verbunden ist.
15. Druckluftmotor (100) nach Anspruch 14, bei dem die mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1) unterschiedlich sind und/oder gegenüberliegend bezogen auf die Verbindung von der Kurbelwelle (75) und der gemeinsamen Kolbenstange (70) angeordnet sind.
16. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, der aufweist: mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1) mit jeweils einer
Kolbenstange (70), die jeweils mit derselben Kurbelwelle (75) verbunden ist.
17. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die mindestens zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1), und/oder die Kolbenstangen (70) und/oder die Kurbelarme der Kurbelwelle (75), mit denen die Kolben-
42 Stangen (70) verbunden sind, derart unterschiedlich ausgebildet sind, dass die mindestens zwei Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1) mit verschiedenen Hubvolumen und/oder Hubhöhen vorgesehen sind.
18. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem der Druck des ersten und/oder zweiten Druckmediums je erster und zweiter Druckkammer (55, 60) der mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1) unabhängig voneinander einstellbar ist, insbesondere unabhängig voneinander abschaltbar sind.
19. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem die ersten Druckmedien der mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben-Vorrichtun- gen (1) zumindest teilweise unterschiedlich voneinander sind und/oder die zweiten Druckmedien der mindestens zwei der Zylinder-Hub kolben- Vorrichtungen (1) zumindest teilweise unterschiedlich voneinander sind.
20. Druckluftmotor (100), nach einem der Ansprüche 10 bis 19, bei dem: die Steuerung die mehreren elektrischen Ventile (65) von mehreren Zylinder-Hubkolben-Vorrichtungen (1) derart steuert, dass mindestens zwei der Zylinder-Hubkolben- Vorrichtungen (1) mit unterschiedlichen Takten arbeiten und/oder mit unterschiedlichen Druckdifferenzen zwischen der ersten und zweiten Druckkammer (55, 60) in der ersten und zweiten Endstellung arbeiten und /oder unabhängig voneinander abschaltbar sind.
21. Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 20, bei dem die Steuerung die Steuerzeiten der mehreren elektrischen Ventile (65) in Abhängigkeit von einer Lastsituation festlegt.
22. Druckluftmotor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 21, bei dem die Kurbelwelle (75) über ein Pleuel derart mit der Kolbenstange (70) verbunden ist, dass die Kolbenstange (70) linear geführt ist.
23. Druckluftmotor (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 21, der ferner aufweist: eine zweite Kurbelwelle (75), die mit der ersten Kurbelwelle (75) als Doppelkurbeltrieb ausgebildet ist, bei dem
43 sich die erste Kurbelwelle (75) und die zweite Kurbelwelle (75) gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehen und die Kolbenstange (70) mit jeder der Kurbelwellen (75) über ein Pleuel (80) derart verbunden ist, dass die Kolbenstange (70) linear geführt wird und der Kolben (15) bei Drehung des Doppelkurbeltriebes um 360 Grad Kurbelwinkel von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung und wieder zurück in die erste Endstellung bewegt wird.
24. Fahrzeug (150), das aufweist: mindestens einen Druckluftmotor (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 23, mindestens einen Drucktank (105), der für die Speicherung mindestens eines Druckmediums ausgebildet ist.
25. Fahrzeug (150) nach Anspruch 24, bei dem der mindestens eine Drucktank (105) als Träger der Fahrzeugkarosserie und/oder des Fahrgestells dient, und/oder der mindestens eine Drucktank (105) integral durch tragende Karosseriebauteile ausgebildet ist.
26. Fahrzeug (150) nach Anspruch 24 oder 25, bei dem das erste und das zweite Druckmedium Druckluft ist, oder ein erstes Druckmedium sich von dem zweiten Druckmedium unterscheidet und verschiedene Drucktanks (105) für das erste Druckmedium und das zweite Druckmedium vorgesehen sind.
27. Fahrzeug (150) nach einem der Ansprüche 24 bis 26, das eine oder mehrere Antriebsräder (106) und jeweils mindestens einen Druckluftmotor (100) pro Antriebsrad (106) aufweist.
28. Fahrzeug (150) nach Anspruch 27, bei dem der jeweils eine Druckluftmotor (100) an dem mindestens einen Drucktank (105) angebracht ist.
29. Fahrzeug (150) nach Anspruch 27, bei dem der jeweils eine Druckluftmotor (100) im Bereich der Radnabe der mehreren Antriebsräder (106) angebracht ist.
30. Fahrzeug (150) nach einem der Ansprüche 24 bis 29, das einen Freilauf aufweist, mit dem der Kraftfluss zwischen einem Druckluftmotor (100) und einem Antriebsrad
44 (106) unterbrechbar ist, so dass der Druckluftmotor (100) während der Fahrt des Fahrzeugs (150) abschaltbar ist.
45
PCT/EP2022/071063 2021-08-17 2022-07-27 Zylinder-hubkolben-vorrichtung, druckluftmotor und fahrzeug WO2023020798A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202280056679.9A CN117916451A (zh) 2021-08-17 2022-07-27 缸往复式装置、压缩空气发动机和车辆

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021121317.7A DE102021121317A1 (de) 2021-08-17 2021-08-17 Zylinder-Hubkolben-Vorrichtung, Druckluftmotor und Fahrzeug
DE102021121317.7 2021-08-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023020798A1 true WO2023020798A1 (de) 2023-02-23

Family

ID=83006101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/071063 WO2023020798A1 (de) 2021-08-17 2022-07-27 Zylinder-hubkolben-vorrichtung, druckluftmotor und fahrzeug

Country Status (3)

Country Link
CN (1) CN117916451A (de)
DE (1) DE102021121317A1 (de)
WO (1) WO2023020798A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1710394A1 (de) * 2004-01-20 2006-10-11 Obschestvo s Ogranichennoi Otvetstvennostyu Midera-k Kolbenmaschine
US9217329B1 (en) * 2014-04-18 2015-12-22 Robert John Richey Compressed air propulsion system
US10280754B2 (en) * 2007-09-07 2019-05-07 St. Mary Technology Llc Compressed fluid motor, and compressed fluid powered vehicle
US20210231111A1 (en) * 2018-07-16 2021-07-29 Us Air Technology, Inc. Compressed gas engine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1710394A1 (de) * 2004-01-20 2006-10-11 Obschestvo s Ogranichennoi Otvetstvennostyu Midera-k Kolbenmaschine
US10280754B2 (en) * 2007-09-07 2019-05-07 St. Mary Technology Llc Compressed fluid motor, and compressed fluid powered vehicle
US9217329B1 (en) * 2014-04-18 2015-12-22 Robert John Richey Compressed air propulsion system
US20210231111A1 (en) * 2018-07-16 2021-07-29 Us Air Technology, Inc. Compressed gas engine

Also Published As

Publication number Publication date
CN117916451A (zh) 2024-04-19
DE102021121317A1 (de) 2023-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2407028C2 (de) Freikolbenbrennkraftmaschine
DE102012014917A1 (de) Druckimpulsansteuerung für eine Verstelleinrichtung eines variablen Verdichtungsverhältnisses
DE102011108790A1 (de) Druckimpulsansteuerung für eine Verstelleinrichtung eines variablen Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine
DE112015002928T5 (de) Durch einen einzelnen Zufuhranschluss aktivierte Pleuelstange für Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis
DE19825411C1 (de) Umsteuerbare Hubkolbenbrennkraftmaschine
DE102006046011B4 (de) Druckkraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einer Ringstruktur
CH667132A5 (de) Drehkolben-eintakt-verbrennungsmotor.
DE69628845T2 (de) Schwimmende kolben, zylindermaschine
WO2023020798A1 (de) Zylinder-hubkolben-vorrichtung, druckluftmotor und fahrzeug
DE2844309A1 (de) Zweitakt-otto-brennkraftmaschine
DE102016006475B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie entsprechende Brennkraftmaschine
DE102008056717A1 (de) Freikolben-Brennkraft-Hydro-Maschine
DE102013226435A1 (de) Hydraulische Druckzuführvorrichtung für Automatikgetriebe
DE4224074A1 (de) Verbrennungsmotor
DE2609507A1 (de) Umlaufmotor
DE19545153C1 (de) Verbrennungsmotor mit einem Ventilsystem zum Betrieb im Zweitakt- oder Viertaktmodus
CH394753A (de) Vorrichtung zur Umwandlung einer hin und her gehenden Bewegung in eine Drehbewegung
DE2003923A1 (de) Mit einem kompressiblen Arbeitsmedium betriebene Hubkolbenmaschine
DE102017102071B3 (de) Verbrennungsmotor in Freikolbenbauweise mit Doppelkolben und darin integrierten Auslassventilen
DE3117143C2 (de) Brennkraftmaschine
EP2356317B1 (de) Drehkolbenmotor, anordnung mit steuerungssystem sowie verfahren zum taktgesteuerten betreiben eines drehkolbenmotors
EP2054594B1 (de) Brennkraftmaschine mit integrierter aufladung
DE102020120204A1 (de) Hub-Vorrichtung und Membran-Eintakt-Motor
DE2404655A1 (de) Arbeits-luftverdichter-maschine
DE1576240A1 (de) Vorrichtung zur Verwendung als Motor,insbesondere Hydraulikmotor,Verbrennungskraftmaschine,Pumpe u.dgl.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22757933

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280056679.9

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022757933

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022757933

Country of ref document: EP

Effective date: 20240318