WO2023148126A1 - Unterdruckmotor - Google Patents

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WO2023148126A1
WO2023148126A1 PCT/EP2023/052191 EP2023052191W WO2023148126A1 WO 2023148126 A1 WO2023148126 A1 WO 2023148126A1 EP 2023052191 W EP2023052191 W EP 2023052191W WO 2023148126 A1 WO2023148126 A1 WO 2023148126A1
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WO
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piston
vacuum
cylinder
reciprocating engine
valve
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052191
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Berger
Original Assignee
Energie-Innovation AG
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 Energie-Innovation AG filed Critical Energie-Innovation AG
Publication of WO2023148126A1 publication Critical patent/WO2023148126A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B25/00—Regulating, controlling, or safety means
    • F01B25/02—Regulating or controlling by varying working-fluid admission or exhaust, e.g. by varying pressure or quantity
    • 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
    • F01B29/00—Machines or engines with pertinent characteristics other than those provided for in preceding main groups
    • F01B29/02—Atmospheric engines, i.e. atmosphere acting against vacuum

Definitions

  • the invention relates to an arrangement comprising a reciprocating engine, which is designed for combustion-free operation, and a vacuum chamber in which a reduced air pressure can be generated compared to the atmosphere surrounding the reciprocating engine.
  • the invention further relates to a method for operating such an arrangement and the use of the arrangement for driving a mechanical machine and/or for generating electrical current.
  • EP 3 249 155 A1 (Benkendil), for example, describes an air motor that does not convert heat into mechanical work like a conventional heat engine, but rather works through the effect of negative pressure.
  • a cylinder is used, which is closed at both ends and is divided into two chambers on the inside by a movable piston.
  • Each of the two chambers is provided with an inlet valve and an outlet valve, whereby each chamber can be connected to a vacuum generator via its outlet valve and to the ambient air via its inlet valve.
  • the outlet valve of one chamber is open, the inlet valve of that chamber is closed, while in the other chamber the inlet valve is open and the outlet valve is closed.
  • the piston can be moved back and forth in the cylinder.
  • a push rod attached to the piston and led out of the cylinder Via a push rod attached to the piston and led out of the cylinder, its translational movement can be converted into a rotational movement by means of a corresponding mechanism, so that a generator can be operated, for example.
  • EP 3 249 155 A1 (Benkendil) proposes a venturi tube which is used, for example, in a water flow.
  • the venturi tube can be installed in a watercourse, in the area of a weir or at the outlet of a dam.
  • the object of the invention is therefore to provide improved solutions which make it possible to use negative pressure as a form of energy.
  • devices based on power machines are to be provided, which perform mechanical work by using negative pressure, which in turn can be converted into other forms of energy if necessary.
  • the core of the invention is therefore an arrangement comprising a reciprocating engine, which is designed for combustion-free operation, and a vacuum chamber in which a reduced air pressure can be generated compared to the atmosphere surrounding the reciprocating engine, wherein: a) the reciprocating engine has at least one cylinder closed by a cylinder head, in which a piston can be moved and the piston is coupled to a crankshaft of the reciprocating engine via a connecting rod on the side facing away from the cylinder head, the connecting rod and the crankshaft being located in a crankcase of the Reciprocating engine are integrated; b) the at least one cylinder has at least one inlet valve and at least one separate outlet valve on the cylinder head, wherein the vacuum chamber can be fluidly connected to the working chamber of the at least one cylinder via the outlet valve in order to generate a vacuum in the working chamber and the working chamber to the working chamber via the inlet valve the atmosphere surrounding the reciprocating engine can be fluidly connected in order to generate ambient pressure in the working space;
  • a substantially constant pressure means in particular that during operation the pressure in the area of the piston facing away from the cylinder head changes by no more than 50 mbar, in particular by no more than 10 mbar.
  • seals are usually difficult to implement and have relatively high leakage rates. Overall, therefore, higher speeds can be achieved without excessive mechanical loads occurring, and the interplay between negative pressure and atmospheric pressure in the working space can be controlled more precisely.
  • the moving parts of the reciprocating engine are optimally protected against damage and weather influences and the pressure ratio in this area can be controlled as best as possible.
  • inlet valve and the outlet valve are two separate valves, with the outlet valve being designed exclusively to remove air from the working space, while the inlet valve is designed exclusively to feed air into the working space. Due to this separation, the air supply and exhaust is controlled extremely precisely. If the air supply and the air discharge take place via the same inlet or outlet, the efficiency decreases significantly.
  • a vacuum chamber in the arrangement according to the invention also ensures a substantially constant vacuum during operation of the reciprocating piston engine, to be precise over a wide range independently of the speed. This cannot be achieved by simply sucking the air out of the working area with a fan or the like.
  • the vacuum chamber has a volume that is larger than the cubic capacity of the reciprocating engine.
  • the volume of the vacuum chamber corresponds to at least ten times, in particular at least a hundred times, in particular at least a thousand times, the cubic capacity of the reciprocating engine.
  • the displacement of the reciprocating engine defines the volume that is displaced by the stroke of all pistons.
  • the functional interaction of the elements of the inventive arrangement is a surprisingly advantageous and efficient use of vacuum and conversion into mechanical work.
  • the individual elements of the arrangement according to the invention interact synergistically.
  • the reciprocating piston engines used according to the invention can be realized by converting conventional internal combustion engines, e.g. gasoline engines or diesel engines. Depending on the engine type, it is sufficient to adjust the valve control, for example, so that the engine can be operated with a vacuum.
  • the arrangement according to the invention can thus be implemented in a relatively simple and cost-effective manner.
  • the reciprocating engine is therefore an internal combustion engine with modified valve control.
  • the reciprocating engine has at least two cylinders, in particular four, five, six, eight, ten or twelve cylinders.
  • the advantages according to the invention thus come into play to a particularly large extent. In principle, however, it is also possible to provide a reciprocating piston engine with a single cylinder.
  • the reciprocating engine is a V-engine, a radial engine, or an in-line engine.
  • V-engine a V-engine
  • radial engine a radial engine
  • in-line engine a motor that uses the reciprocating engine to generate a V-engine to generate a V-line.
  • other motor geometries are also possible.
  • the valve control is implemented in particular via at least one, for example via two, camshaft(s) and/or cam disk(s) coupled to the crankshaft.
  • the crankshaft is coupled purely mechanically to the at least one camshaft and/or cam disk.
  • the inlet and outlet valve is preferably opened and closed via tappets, rocker arms and/or rocker arms interacting with the at least one camshaft and/or cam disk. This enables the valves to be opened and closed particularly precisely and quickly, which is particularly advantageous for operating the reciprocating engine with a vacuum.
  • the coupling is implemented in particular via a timing chain or a toothed belt.
  • valve control can also be implemented differently.
  • the valve control is a pneumatic, hydraulic and/or electromechanical valve control.
  • the at least one camshaft and/or cam disk is coupled to the crankshaft in particular with a gear ratio of 2:1, so that during operation the at least one camshaft and/or cam disk has half the speed of the crankshaft. This allows the valves to be opened and closed precisely.
  • other transmission ratios can also be implemented.
  • an engine block, the piston, the connecting rod, the crankshaft, the at least one camshaft and/or the crankcase of the reciprocating engine in particular the entire mechanical structure of the reciprocating engine, consists of plastic, ceramic and/or a composite material.
  • the weight of the reciprocating engine can thereby be reduced, manufacture can be simplified and/or the costs for manufacture and spare parts can be lowered. Since the operation of the reciprocating engine generates little frictional heat, the reciprocating engine hardly heats up. Cooling is not required. It is therefore possible to manufacture the engine or components thereof from less heat-resistant and cheaper materials than conventional internal combustion engines. Another advantage of the materials mentioned is that they can be produced with almost any shape and structure, e.g. using additive manufacturing processes such as 3D printing, so that specially designed motor shapes can also be realized.
  • the engine block, the piston, the connecting rod, the crankshaft, the at least one camshaft and/or the crankcase of the reciprocating engine, in particular the entire mechanical structure of the reciprocating engine are made of metal. This means that particularly robust reciprocating piston engines can be implemented.
  • the valve control is designed in particular in such a way that when the maximum stroke height of the piston in at least one cylinder is reached, the outlet valve is opened and the inlet valve is closed, so that the air pressure in the working chamber is reduced and when the minimum stroke height of the piston is reached in at least one cylinder, the inlet valve is reduced is opened so that the air pressure in the working space is increased. This takes place in particular in regular cycles during operation of the reciprocating engine.
  • the maximum stroke of the piston is reached when the working space in the cylinder has the maximum volume, while the minimum stroke of the piston is reached when the working space in the cylinder has the minimum volume.
  • the valve control is designed such that: in a first stroke, in which the piston moves toward the cylinder head, the exhaust valve is opened and the intake valve is closed, so that the piston is pulled toward the cylinder head by the vacuum; in a subsequent second stroke, in which the piston moves away from the cylinder head, a first period of time the exhaust valve is closed and the intake valve is open and in a subsequent second period of time both valves are closed, so that in the second period of time the piston moving away from the cylinder head is in the working chamber creates a depression.
  • a stroke is a complete movement of the piston from one dead center to the other dead center.
  • a cycle takes place in particular during half a revolution of the crankshaft. Both strokes occur together during one complete revolution of the crankshaft.
  • the first time section and the second time section in the second cycle correspond in particular to 40-60% each, in particular 50% each, of the duration of the entire second cycle.
  • the first and second time segments thus each correspond to half a clock.
  • the two clocks are executed one after the other during operation, in particular in a continuous process.
  • valve controls described above have proven to be particularly preferred. If there is more than one cylinder, the crankshaft and the valve control are designed in such a way that the pistons in the respective cylinders are moved at least partially out of phase during operation. This is analogous to conventional combustion engines.
  • the negative pressure chamber is in particular connected in a fluid-conducting manner to a vacuum generating device, in particular a vacuum pump, so that the negative pressure chamber can be or is evacuated by the vacuum generating device in a vibration-free manner.
  • the arrangement according to the invention can be operated by completely different vacuum generation devices and can therefore be used extremely flexibly.
  • the vacuum generating device includes a Venturi tube.
  • a Venturi tube can be used as a pump that is simple in design and has no moving parts. Venturi tubes are correspondingly robust, low-maintenance and versatile.
  • the Venturi tube is placed in a watercourse, for example in the area of a weir or at the outlet of a dam. As a result, water power can be converted into mechanical energy with the arrangement according to the invention and, if necessary, further into electrical energy, e.g. via a generator.
  • the vacuum generating device comprises an electrically operated vacuum pump, in particular a rotary vane pump.
  • the electrically operated vacuum pump can be present as an additional or sole vacuum generation device. This makes it possible, for example, to compensate for fluctuations in other vacuum generation devices.
  • the arrangement according to the invention can be operated entirely by electrical energy, e.g. by solar energy or excess energy from the electricity network.
  • vacuum generation devices such as mechanically operated pumps are also conceivable, which can be driven by wind energy, for example.
  • the vacuum generating device also includes the electrically operated vacuum pump a vacuum booster, which is connected between the vacuum chamber and the electrically operated vacuum pump.
  • the vacuum booster is operated electrically.
  • Vacuum boosters increase the pumping speed and the ultimate pressure of vacuum pumps. They increase the performance of vacuum systems by a factor of up to ten. Vacuum boosters work according to the Roots principle: Two Roots pistons rotate synchronously within a housing. These do not touch each other or the housing. This means that no lubricants or operating fluids are required in the process chamber. During the rotation of the Roots, gas is transported between the Roots and the housing into the downstream vacuum pump.
  • the pressure in the vacuum chamber is preferably at least 0.2 bar, in particular at least 0.4 bar, in particular at least 0.7 bar, lower than the atmospheric pressure surrounding the reciprocating engine.
  • the pressure in the vacuum chamber is in the range of 0.05-0.8 bar, in particular 0.1-0.5 bar, in particular 0.1-0.3 bar. At such pressures, the arrangement according to the invention works particularly effectively. In special constellations, however, other pressure conditions are also possible.
  • the reciprocating engine has a turbocharger, the turbocharger being driven by the air flowing out of the outlet valve and compressing the ambient air supplied via the inlet valve.
  • a turbocharger consists of a turbine that uses the energy from the expelled air and drives a compressor that compresses the ambient air that is supplied. The air supply is thus increased in order to achieve faster volume filling.
  • crankcase has a crankcase ventilation, in particular an open crankcase ventilation.
  • This is designed in such a way that the inner volume of the crankcase and/or the area of the piston facing away from the cylinder head communicates with the surrounding atmosphere in a fluid-conducting manner.
  • a substantially constant pressure can be maintained in the area of the piston facing away from the cylinder head in a simple manner and at the same time the connecting rod and crankshaft can be protected from external influences.
  • the crankshaft of the reciprocating engine is coupled to a power generator, so that power can or is generated by the work of the reciprocating engine.
  • the electricity can, for example, be used to operate external consumers and/or be temporarily stored in an electricity storage device.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for operating an arrangement as described above, wherein negative pressure and ambient pressure are alternately applied via the inlet valve and the outlet valve in the working chamber, so that the piston in at least one cylinder is moved back and forth, so that the crankshaft is driven.
  • the outlet valve is opened and the inlet valve is closed, so that the air pressure in the working chamber is reduced and when the minimum stroke of the piston in at least one cylinder is reached, the outlet valve is closed and the inlet valve is opened , so that the air pressure in the working area is increased.
  • the valves are controlled by the valve control in such a way that: in a first stroke in which the piston moves toward the cylinder head, the exhaust valve is opened and the intake valve is closed, so that the piston is pulled in the direction of the cylinder head by the vacuum; in a subsequent second stroke, in which the piston moves away from the cylinder head, a first period of time the exhaust valve is closed and the intake valve is open and in a subsequent second period of time both valves are closed, so that in the second period of time the piston moving away from the cylinder head is in the working chamber creates a depression.
  • the two clocks are executed one after the other during operation, in particular in a continuous process.
  • the vacuum chamber is in particular continuously evacuated with a fluid-conducting connected vacuum generating device, in particular a vacuum pump. Possible vacuum generating devices are described above.
  • the pressure in the vacuum chamber is preferably kept at at least 0.2 bar, in particular at least 0.4 bar, in particular at least 0.7 bar, below the atmospheric pressure surrounding the reciprocating engine.
  • the pressure in the vacuum chamber is kept in the range of 0.05-0.8 bar, in particular 0.1-0.5 bar, in particular 0.1-0.3 bar.
  • the air flowing out of the outlet valve is used to drive a turbocharger, which compresses the ambient air before it is supplied via the inlet valve. This further improves the efficiency.
  • crankcase is vented during operation via a crankcase ventilation, in particular an open crankcase ventilation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement according to the invention with a reciprocating engine that can be driven without combustion and a vacuum chamber in which a reduced air pressure can be generated compared to the atmosphere surrounding the reciprocating engine;
  • FIG. 2 shows a first type of activation of the valves of the reciprocating engine from FIG. 1 .
  • the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement 100 according to the invention.
  • This comprises a reciprocating piston engine 110 designed for combustion-free operation, which is shown in FIG. 1 in a cross section perpendicular to the crankshaft and comprises, for example, six cylinders arranged in a row.
  • the first cylinder 1 1 1 can be seen in FIG. 1, while the other five cylinders lie behind the first cylinder and are not visible in the view of FIG.
  • the entire mechanical structure of the reciprocating engine 110 is made entirely of metal.
  • the first cylinder 1 1 1 of the reciprocating engine 1 10 is arranged in the engine block 1 17 and closed with a cylinder head 1 18, wherein in the cylinder 1 1 1 1 a piston 1 12 is movably mounted. On the side of the piston 112 facing away from the cylinder head 118, the latter is coupled to the crankshaft 116 of the reciprocating engine 110 via a connecting rod 115.
  • the connecting rod 1 15 and the crankshaft 1 16 are integrated in a crankcase 1 17a.
  • crankcase 1 17a is an integral part of the engine block 1 17 and also has an open crankcase ventilation 1 17a.1 in the form of an opening which ensures that during operation in an area 1 14 of the piston 1 12 facing away from the cylinder head 1 18 there is always an im Substantially constant pressure or the atmospheric pressure surrounding the reciprocating engine 110 is present.
  • the inner working volume 1 13 of the cylinder 1 1 1 can be fluidly connected to the atmosphere surrounding the reciprocating piston engine 1 10 (when the valve 1 19a is open as shown in Fig. 1) around the cylinder or the working chamber 1 13 Supply ambient air LZ to generate ambient pressure.
  • the outlet valve 1 19b (shown in the closed position in Fig. 1) enables the working chamber 1 13 of the cylinder 1 1 1 to be fluidly connected to a vacuum chamber 130 in order to discharge exhaust air LA and to generate a vacuum in the working chamber 1 13 (for this purpose, the outlet valve 1 19b is opened and the inlet valve 1 19a is closed).
  • the reciprocating piston engine 110 has a valve control 120 in the form of two parallel camshafts 120a, 120b, which are coupled to the crankshaft 116, for example via a toothed belt 121 (represented symbolically as connecting arrows).
  • the camshafts 120a, 120b are coupled to the crankshaft 116 with a gear ratio of 2:1, for example, so that the camshafts 120a, 120b rotate at half the speed of the crankshaft 116 during operation.
  • the valve control 120 is designed such that the inlet valve 1 19a and the outlet valve 1 19b are controlled during operation in such a way that the piston in the cylinder 1 1 1 is moved back and forth by the alternating application of ambient pressure and negative pressure. Possible controls to achieve this are described in more detail in connection with FIGS.
  • the valves of the other cylinders are controlled in the same way, with the pistons in cylinders 1 and 6 running in phase, cylinders 2 and 5 running in phase with one another but out of phase with cylinders 1 and 6, while cylinders 3 and 4 are in phase with one another , but run out of phase with the other cylinders.
  • the air LA flowing out of the outlet valve 1 19b can be used to drive an optional turbocharger 122, which compresses the ambient air before it is supplied via the inlet valve (indicated by a broken connecting line).
  • the reciprocating engine 110 is connected via the outlet valve 119b to the vacuum chamber 130, in which there is a pressure of 0.2 bar, for example.
  • the pressure in the vacuum chamber 130 is thus about 0.8 bar lower than the ambient pressure or the atmospheric pressure in which the reciprocating engine 110 is located.
  • the vacuum in the vacuum chamber! 30 can be measured with a 131 manometer.
  • the vacuum chamber 130 is connected in a fluid-conducting manner to a vacuum generating device 132 .
  • a vacuum generating device 132 can be an electrically operated vacuum pump 132a, such as a rotary vane pump, which is operated in combination with an electrically operated vacuum booster 132b, which is connected between the vacuum chamber 130 and the electrically operated vacuum pump.
  • the ones from the Air conveyed to the vacuum chamber 130 is discharged into the atmosphere A.
  • a second vacuum generation device 133 can be present in the form of a venturi tube, which is installed, for example, in a watercourse and also evacuates air from the vacuum chamber 130 and releases it into the atmosphere.
  • the electrically operated vacuum pump 132a and the vacuum booster 132b can be charged with electrical energy (shown as a dashed line) via an optional power storage device 150, e.g. an accumulator, which is charged by an external power source 160, e.g. a solar cell and/or the power grid. be taken care of.
  • an optional power storage device 150 e.g. an accumulator, which is charged by an external power source 160, e.g. a solar cell and/or the power grid. be taken care of.
  • the pressure in the vacuum chamber is kept in the range of 0.1-0.3 bar, for example.
  • crankshaft 116 of the reciprocating engine 110 is also coupled via a transmission 141 (indicated by a connecting arrow in FIG. 1) to a power generator 140, so that useful electrical energy E can be generated by the work of the reciprocating engine 110.
  • crankshaft 116 can optionally be coupled to a mechanical machine M via a second transmission 142 in order to drive it directly.
  • Fig. 2 shows a first way of controlling the valves of the first cylinder 1 1 1 of the reciprocating engine 1 10.
  • the valves of the other cylinders are controlled analogously, but these are controlled in time so that the phase relationships described above are obtained.
  • intake valve 1 19a left horizontal arrow
  • exhaust valve 1 19b right horizontal arrow
  • the closed position is marked as ("X") and the open position as "O”.
  • a first stroke 201 in which the piston 1 12 moves towards the cylinder head (indicated by the arrow pointing up), the exhaust valve 1 19b is open (0) and the intake valve 1 19a is closed (X), so that the piston passes through the vacuum is drawn towards the cylinder head.
  • the valves are switched as in the first cycle 201, while in the subsequent cycle 204 the valves are switched as in the second cycle. The cycle then begins again.
  • each of the strokes corresponds to half a revolution of the crankshaft 116, so that the crankshaft has performed exactly two revolutions after one cycle.
  • the camshafts 120a, 120b rotate exactly once.
  • the engine can have more or less than six cylinders.
  • valve control can also be configured differently. For example, the closing and opening times can be adjusted or it can be controlled by a single camshaft.
  • the power storage 150 can also be omitted.
  • the electrically operated vacuum pump 132a and the vacuum booster 132b can be connected directly to the external power source 160, for example.

Abstract

Eine Anordnung (100) umfasst einen Hubkolbenmotor (110), welcher zum verbrennungslosen Betrieb ausgelegt ist, sowie eine Unterdruckkammer (130), in welcher gegenüber der den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphäre (A) ein reduzierter Luftdruck erzeugbar ist, wobei: a) der Hubkolbenmotor (110) wenigstens einen mit einem Zylinderkopf (118) verschlossenen Zylinder (111) aufweist, in welchem ein Kolben (112) bewegbar ist und wobei der Kolben (112) an der dem Zylinderkopf (118) abgewandten Seite über einen Pleuel (115) mit einer Kurbelwelle (116) des Hubkolbenmotors (110) gekoppelt ist, wobei der Pleuel (115) und die Kurbelwelle (116) in einem Kurbelgehäuse (117a) des Hubkolbenmotors (110) integriert sind; b) der wenigstens eine Zylinder (111) am Zylinderkopf (118) wenigstens ein Einlassventil (119a) und wenigstens ein Auslassventil (119b) aufweist, wobei die Unterdruckkammer (130) über das Auslassventil (119b) mit einem Arbeitsraum (113) des wenigstens einen Zylinders (111) fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum (113) einen Unterdruck zu erzeugen und über das Einlassventil (119a) der Arbeitsraum (113) mit der den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphäre (A) fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum (113) Umgebungsdruck zu erzeugen, c) wobei eine Ventilsteuerung (120) vorliegt, welche das Einlassventil (119a) und das Auslassventil (119b) im Betrieb derart angteuert, dass der Kolben (112) im wenigstens einen Zylinder (111) durch abwechselndes Anlegen von Umgebungsdruck und Unterdruck hin und zurück bewegt wird; d) und der Hubkolbenmotor (110) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb in einem dem Zylinderkopf (118) abgewandten Bereich (114) des Kolbens stets ein im Wesentlichen konstanter Druck, insbesondere ein den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphärendruck (A), vorliegt.

Description

Unterdruckmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung umfassend einen Hubkolbenmotor, welcher zum verbrennungslosen Betrieb ausgelegt ist, sowie eine Unterdruckkammer, in welcher gegenüber der den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphäre ein reduzierter Luftdruck erzeugbar ist. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anordnung sowie die Verwendung der Anordnung zum Antreiben einer mechanischen Maschine und/oder zur Erzeugung von elektrischem Strom.
Stand der Technik
In der Energietechnik wird fortlaufend nach Lösungen zur möglichst effizienten, sicheren, umweltschonenden und wirtschaftlichen Gewinnung, Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Energie in unterschiedlichen Formen gesucht. Dabei liegt der Fokus heutzutage stark auf Lösungen, welche auf erneuerbaren Energien basieren bzw. diese nutzbar machen.
In diesem Zusammenhang sind unter anderem Kraftmaschinen bekannt, welche durch Nutzung von Unterdrück mechanische Arbeit leisten. Die EP 3 249 155 A1 (Benkendil) beschreibt z.B. einen Luftmotor, der nicht wie eine herkömmliche Wärmekraftmaschine Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, sondern durch Unterdruckwirkung arbeitet. Dabei wird ein Zylinder verwendet, welchen an seinen beiden Enden geschlossen ist und im Inneren durch einen beweglichen Kolben in zwei Kammern geteilt ist. Jede der beiden Kammern ist mit einem Einlassventil und einem Auslassventil versehen, wobei jede Kammer über ihr Auslassventil an einen Vakuumerzeuger und über ihr Einlassventil an die Umgebungsluft angeschlossen werden kann. Wenn das Auslassventil einer Kammer geöffnet ist, ist das Einlassventil dieser Kammer geschlossen, während in der anderen Kammer das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen ist. Durch abwechlungsweises Öffnen und Schliessen der Ventile lässt sich der Kolben in Zylinder hin und her bewegen.
Über eine am Kolben angebrachte und aus dem Zylinder herausgeführte Schubstange, kann deren Translationsbewegung mittels eines entsprechenden Mechanismus in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden, so dass sich beispielsweise ein Generator betreiben lässt.
Zu Erzeugung des erforderlichen Unterdrucks wird in der EP 3 249 155 A1 (Benkendil) ein Venturi-Rohr vorgeschlagen, welches beispielsweise in einen Wasserstrom eingesetzt wird. Beispielsweise kann das Venturi-Rohr in einen Wasserlauf, im Bereich eines Wehrs oder am Ausgang eines Damms angebracht werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bislang bekannten Kraftmaschinen, welche durch Nutzung von Unterdrück mechanische Arbeit leisten, nicht vollständig zu überzeugen vermögen. Im Besonderen ist der Wirkungsgrad bekannter Maschinen relativ gering und es ergeben sich in konstruktiver Hinsicht Probleme. Es besteht daher nach wie vor Bedarf nach verbesserten Lösungen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, verbesserte Lösungen bereitzustellen, welche es ermöglichen, Unterdrück als Energieform zu nutzen. Im Besonderen sollen Vorrichtungen auf Basis von Kraftmaschinen bereitgestellt werden, welche durch Nutzung von Unterdrück mechanische Arbeit leisten, welche bei Bedarf wiederum in anderen Energieformen umwandelbar ist.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Kern der Erfindung ist demnach eine Anordnung umfassend einen Hubkolbenmotor, welcher zum verbrennungslosen Betrieb ausgelegt ist, sowie eine Unterdruckkammer, in welcher gegenüber der den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphäre ein reduzierter Luftdruck erzeugbar ist, wobei: a) der Hubkolbenmotor wenigstens einen mit einem Zylinderkopf verschlossenen Zylinder aufweist, in welchem ein Kolben bewegbar ist und wobei der Kolben an der dem Zylinderkopf abgewandten Seite über einen Pleuel mit einer Kurbelwelle des Hubkolbenmotors gekoppelt ist, wobei der Pleuel und die Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse des Hubkolbenmotors integriert sind; b) der wenigstens eine Zylinder am Zylinderkopf wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein separates Auslassventil aufweist, wobei die Unterdruckkammer über das Auslassventil mit dem Arbeitsraum des wenigstens einen Zylinders fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum einen Unterdrück zu erzeugen und über das Einlassventil der Arbeitsraum mit der den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphäre fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum Umgebungsdruck zu erzeugen; c) wobei eine Ventilsteuerung vorliegt, welche das Einlassventil und das Auslassventil im Betrieb derart ansteuert, dass der Kolben im wenigstens einen Zylinder durch abwechselndes Anlegen von Umgebungsdruck und Unterdrück hin und zurück bewegt wird; d) und der Hubkolbenmotor derart ausgelegt ist, dass im Betrieb in einem dem Zylinderkopf abgewandten Bereich des Kolbens stets ein im Wesentlichen konstanter Druck, insbesondere ein den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphärendruck, vorliegt.
Die erfindungsgemässe Anordnung hat sich als äusserst vorteilhaft und effizient herausgestellt. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass aufgrund des im Wesentlichen konstanten Drucks auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite des Kolbens im Vergleich mit Ansätzen wie sie in der EP 3 249 155 A1 beschriebenen sind, eine rundere Bewegung des Kolbens erreicht wird.
Ein im Wesentlichen konstanter Druck meint vorliegend insbesondere, dass sich im Betrieb der Druck im dem Zylinderkopf abgewandten Bereich des Kolbens um nicht mehr als 50 mbar, im Speziellen um nicht mehr als 10 mbar, verändert. Zudem ist keine Abdichtung der Schubstange bzw. des Pleuels bei der Herausführung aus dem Zylinder erforderlich. Solche Abdichtungen sind meist aufwändig zu realisieren und weisen relativ hohe Leckraten auf. Insgesamt können daher höhere Drehzahlen realisiert werden ohne dass es zu übermässigen mechanischen Belastungen kommt und das Wechselspiel zwischen Unterdrück und Atmosphärendruck im Arbeitsraum lässt sich präziser kontrollieren.
Durch die zusätzliche Integration des Pleuels und der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse sind die sich bewegenden Teile des Hubkolbenmotors optimal vor Beschädigungen und Witterungseinflüssen geschützt und die Druckverhältnis in diesem Bereich können bestmöglich kontrolliert werden.
Wichtig ist auch, dass es sich beim Einlassventil und beim Auslassventil um zwei separate Ventile handelt, wobei das Auslassventil ausschliesslich dazu ausgelegt ist, Luft aus dem Arbeitsraum abzuführen, während das Einlassventil ausschliesslich dazu ausgelegt ist Luft in den Arbeitsraum zuzuführen. Durch diese Separierung wird die Luftzu- und Abfuhr äusserst präzise kontrolliert. Erfolgen die Luftzufuhr und die Luftabfuhr über den gleichen Einlass bzw. Auslass, nimmt die Effizienz stark ab.
Die Verwendung einer Unterdruckkammer in der erfindungsgemässen Anordnung gewährleistet des Weiteren einen im Wesentlichen konstanten Unterdrück während dem Betrieb des Hubkolbenmotors und zwar in weiten Bereichen unabhängig von der Drehzahl. Dies ist bei einem einfachen Absaugen der Luft aus dem Arbeitsraum mit einem Lüfter oder dergleichen nicht erreichbar.
Die Unterdruckkammer weist im Besonderen ein Volumen auf, welches grösser ist als der Hubraum des Hubkolbenmotors. Im Besonderen entspricht das Volumen der Unterdruckkammer wenigstens dem zehnfachen, insbesondere wenigstens dem hundertfachen, im Speziellen wenigstens dem tausendfachen, des Hubraums des Hubkolbenmotors. Der Hubraum des Hubkolbenmotors definiert das Volumen, das durch den Hub aller Kolben insgesamt verdrängt wird.
Durch das funktionale Zusammenwirken der Elemente der erfindungsgemässen Anordnung wird eine überraschend vorteilhafte und effiziente Nutzung von Unterdrück und Umwandlung in mechanische Arbeit ermöglicht. Mit anderen Worten wirken die einzelnen Elemente der erfindungsgemässen Anordnung synergistisch zusammen.
Als weiterer Vorteil ist anzuführen, dass sich erfindungsgemäss eingesetzte Hubkolbenmotoren durch eine Umrüstung von herkömmlichen Verbrennungsmotoren, z.B. von Benzinmotoren oder Dieselmotoren, realisieren lassen. Je nach Motortyp reicht es z.B. die Ventilsteuerung anzupassen, so dass der Motor für den Betrieb mit Unterdrück betrieben werden kann. Damit kann die erfindungsgemässe Anordnung auf relativ einfache und kostengünstige Weise realisiert werden. Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich beim Hubkolbenmotor daher um einen Verbrennungsmotor mit modifizierter Ventilsteuerung.
Der Hubkolbenmotor weist in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens zwei Zylinder auf, insbesondere vier, fünf, sechs, acht, zehn oder zwölf Zylinder. Damit kommen die erfindungsgemässen Vorteile im Besonderen Masse zum Tragen. Es ist aber prinzipiell auch möglich, einen Hubkolbenmotor mit einem einzelnen Zylinder vorzusehen.
Im Speziellen ist der Hubkolbenmotor ein V-Motor, ein Sternmotor oder ein Reihenmotor. Es sind aber auch andere Motorgeometrien möglich.
Die Ventilsteuerung ist insbesondere über wenigstens eine, beispielsweise über zwei, mit der Kurbelwelle gekoppelte Nockenwelle(n) und/oder Nockenscheibe(n) realisiert. Die Kurbelwelle ist dabei insbesondere rein mechanisch mit der wenigstens einen Nockenwelle und/oder Nockenscheibe gekoppelt. Das Ein- und Auslassventil wird dabei bevorzugt über mit der wenigstens einen Nockenwelle und/oder Nockenscheibe zusammenwirkenden Stössel, Schlepphebel und/oder Kipphebel geöffnet und geschlossen. Dies ermöglicht ein besonders präzises und schnelles Öffnen und Schliessen der Ventile, was für den Betrieb des Hubkolbenmotors mit Unterdrück besonders vorteilhaft ist. Die Kopplung ist insbesondere über eine Steuerkette oder einen Zahnriemen realisiert.
Grundsätzlich kann die Ventilsteuerung aber auch anders realisiert werden. Gemäss einer anderen möglichen Ausführungsform ist die Ventilsteuerung eine pneumatische, hydraulische und/oder elektromechanische Ventilsteuerung. Die wenigstens eine Nockenwelle und/oder Nockenscheibe ist im Besonderen mit einer Übersetzung von 2: 1 mit der Kurbelwelle gekoppelt, so dass im Betrieb die wenigstens eine Nockenwelle und/oder Nockenscheibe die halbe Drehzahl der Kurbelwelle aufweist. Damit lassen sich die Ventile präzise öffnen und schliessen. Andere Übersetzungsverhältnisse sind aber ebenfalls umsetzbar.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht ein Motorblock, der Kolben, der Pleuel, die Kurbelwelle, die wenigstens eine Nockenwelle und/oder das Kurbelgehäuse des Hubkolbenmotors, insbesondere die gesamte mechanische Struktur des Hubkolbenmotors, aus Kunststoff, Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff. Je nach verwendetem Material lassen sich dadurch das Gewicht des Hubkolbenmotors reduzieren, die Herstellung vereinfachen und/oder die Kosten für die Herstellung und Ersatzteile senken. Da beim Betrieb des Hubkolbenmotors nur wenig Reibungswärme entsteht, erwärmt sich der Hubkolbenmotor kaum. Eine Kühlung ist nicht erforderlich. Daher ist es möglich, den Motor oder Bestandteile davon aus weniger hitzebeständigen und kostengünstigeren Materialen zu fertigen als herkömmliche Verbrennungsmotoren. Ein weiterer Vorteil der genannten Materialien besteht darin, dass sich diese z.B. durch additive Fertigungsverfahre, wie beispielsweise 3D-Druck mit nahezu beliebiger Form und Struktur herstellen lassen, so dass auch speziell ausgestaltete Motorformen realisiert werden können.
Gemäss einer anderen vorteilhaften Ausführungsform bestehen der Motorblock, der Kolben, der Pleuel, die Kurbelwelle, die wenigstens eine Nockenwelle und/oder das Kurbelgehäuse des Hubkolbenmotors, insbesondere die gesamte mechanische Struktur des Hubkolbenmotors, aus Metall. Damit können besonders robuste Hubkolbenmotoren realisiert werden.
Die Ventilsteuerung ist insbesondere derart ausgelegt, dass beim Erreichen der maximalen Hubhöhe des Kolbens im wenigstens einen Zylinder das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen wird, so dass der Luftdruck im Arbeitsraum reduziert wird und beim Erreichen der minimalen Hubhöhe des Kolbens im wenigstens einen Zylinder das Einlassventil geöffnet wird, so dass der Luftdruck im Arbeitsraum erhöht wird. Dies erfolgt insbesondere in gleichmässigen Zyklen während dem Betrieb des Hubkolbenmotors. Die maximale Hubhöhe des Kolbens ist dann erreicht, wenn der Arbeitsraum im Zylinder das maximale Volumen aufweist, während die minimale Hubhöhe des Kolbens dann erreicht ist, wenn der Arbeitsraum im Zylinder das minimale Volumen aufweist.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ventilsteuerung derart ausgelegt, dass: in einem ersten Takt in welchem sich der Kolben zum Zylinderkopf hinbewegt, das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen ist, so dass der Kolben durch den Unterdrück in Richtung des Zylinderkopfs gezogen wird; in einem darauffolgenden zweiten Takt, in welchem sich der Kolben vom Zylinderkopf wegbewegt, einem ersten Zeitabschnitt das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet ist und in einem darauffolgenden zweiten Zeitabschnitt beide Ventile geschlossen sind, so dass im zweiten Zeitabschnitt der sich vom Zylinderkopf wegbewegende Kolben im Arbeitsraum einen Unterdrück erzeugt.
Unter einem Takt ist eine vollständige Bewegung des Kolbens vom einen Totpunkt zum anderen Totpunkt zu verstehen. Ein Takt erfolgt insbesondere während einer halben Umdrehung der Kurbelwelle. Beide Takte zusammen erfolgen während einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle.
Der erste Zeitabschnitt und der zweite Zeitabschnitt im zweiten Takt entsprechen insbesondere je 40 - 60%, im Speziellen je 50%, der Dauer des gesamten zweiten Taktes. Im Besonderen entsprechen die ersten und zweiten Zeitabschnitte somit je einem halben Takt.
Die beiden Takte werden während dem Betrieb insbesondere in einem kontinuierlichen Prozess nacheinander ausgeführt.
Die vorbeschrieben Ventilsteuerungen haben sich als besonders bevorzugt herausgestellt. Bei mehr als einem Zylinder sind die Kurbelwelle und die Ventilsteuerung derart ausgestaltet, dass die Kolben in den jeweiligen Zylindern im Betrieb zumindest teilweise phasenversetzt bewegt werden. Dies analog zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
Die Unterdruckkammer ist insbesondere fluidleitend mit einer Vakuumerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Vakuumpumpe, verbunden, so dass die Unterdruckkammer durch die Vakuumerzeugungseinrichtung schwingungsfrei evakuiert werden kann oder wird. Die erfindungsgemässe Anordnung ist durch ganz unterschiedliche Vakuumerzeugungseinrichtung betreibbar und somit äusserst flexibel einsetzbar.
Gemäss einer Ausführungsform beinhaltet die Vakuumerzeugungseinrichtung ein Venturi- Rohr. Ein Venturi-Rohr kann als Pumpe eingesetzt werden, welche einfach aufgebaut ist und keine bewegten Teile hat. Entsprechend robust, wartungsarm und vielseitig einsetzbar sind Venturi-Rohre. Gemäss einer möglichen Ausführungsform wird das Venturi-Rohr in einem Wasserlauf angebracht, z.B. im Bereich eines Wehrs oder am Ausgang eines Damms. Dadurch lässt sich Wasserkraft mit der erfindungsgemässen Anordnung in mechanische Energie und bei Bedarf z.B. über einen Generator weiter in elektrische Energie umwandeln.
Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vakuumerzeugungseinrichtung eine elektrisch betriebene Vakuumpumpe, insbesondere eine Drehschieberpumpe. Die elektrisch betriebene Vakuumpumpe kann als zusätzliche oder als alleinige Vakuumerzeugungseinrichtung vorliegen. Damit ist es beispielsweise möglich, Schwankungen bei anderen Vakuumerzeugungseinrichtung auszugleichen. Ebenso kann mit einer elektrisch betriebenen Vakuumpumpe die erfindungsgemässe Anordnung vollständig durch elektrische Energie betrieben werden, z.B. durch Solarenergie oder Überschussenergie aus dem Elektrizitätsnetz.
Es sind aber auch andere Vakuumerzeugungseinrichtungen wie beispielsweise mechanisch betriebene Pumpen denkbar, welche z.B. durch Windenergie angetrieben werden können.
Gemäss einer weiter bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Vakuumerzeugungseinrichtung nebst der elektrisch betriebenen Vakuumpumpe zusätzlich einen Vakuum-Booster, welcher zwischen Unterdruckkammer und elektrisch betriebener Vakuumpumpe geschaltet ist. Der Vakuum-Booster ist insbesondere elektrisch betrieben.
Vakuum-Booster erhöhen das Saugvermögen und den Enddruck von Vakuumpumpen. Sie sorgen für eine Leistungssteigerung von Vakuumsystemen um einen Faktor von bis zu zehn. Vakuum-Booster arbeiten nach dem Roots-Prinzip: Dabei drehen sich zwei Wälzkolben synchron innerhalb eines Gehäuses. Diese berühren sich weder gegenseitig noch das Gehäuse. Dadurch sind keinerlei Schmiermittel oder Betriebsflüssigkeiten in der Prozesskammer erforderlich. Während der Drehung der Wälzkolben wird Gas zwischen den Wälzkolben und dem Gehäuse in die nachgeschaltete Vakuumpumpe transportiert.
Der Druck in der Unterdruckkammer ist im Betrieb bevorzugt wenigstens 0.2 bar, insbesondere wenigstens 0.4 bar, im Speziellen wenigstens 0.7 bar, geringer ist als der den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphärendruck. Im Speziellen liegt der Druck in der Unterdruckkammer im Bereich von 0.05 - 0.8 bar, insbesondere 0.1 - 0.5 bar, im Speziellen 0.1 - 0.3 bar. Bei solchen Drücken arbeitet die erfindungsgemässe Anordnung besonderes effektiv. In speziellen Konstellationen sind aber auch andere Druckverhältnisse möglich.
Weiter ist es bevorzugt, wenn der Hubkolbenmotor über einen Turbolader verfügt, wobei der Turbolader durch die aus dem Auslassventil strömende Luft angetrieben wird und die über das Einlassventil zugeführte Umgebungsluft verdichtet. Ein Turbolader besteht aus einer Turbine, die die Energie der ausgestossenen Luft nutzt und einen Verdichter antreibt, der die zugeführte Umgebungsluft verdichtet. Die Luftzuführung wird somit erhöht um eine schnellere Volumenfüllung zu erwirken.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Kurbelgehäuse über eine Kurbelgehäusentlüftung, insbesondere eine offene Kurbelgeäusentlüftung verfügt. Diese ist so ausgestaltet, dass das innere Volumen des Kurbelgehäuses und/oder der dem Zylinderkopf abgewandte Bereich des Kolbens fluidleitend mit der umgebenden Atmosphäre kommuniziert. Dadurch kann in einfacher Art und Weise ein im wesentlichen konstanter Druck auf der dem Zylinderkopf abgewandten Bereich des Kolbens aufrechterhalten werden und zugleich Pleuel und Kurbelwelle vor äusseren Einflüssen geschützt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kurbelwelle des Hubkolbenmotors mit einem Stromgenerator gekoppelt, so dass durch die Arbeit des Hubkolbenmotors Strom erzeugt werden kann oder wird. Der Strom kann beispielsweise für den Betrieb von externen Verbraucher genutzt und/oder in einem Stromspeicher zwischengespeichert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung wie sie vorstehend beschrieben ist, wobei über das Einlassventil und das Auslassventil im Arbeitsraum abwechselnd Unterdrück und Umgebungsdruck angelegt wird, so dass der Kolben im wenigstens einen Zylinder hin und zurück bewegt wird, so dass die Kurbelwelle angetrieben wird.
Dabei wird im Besonderen beim Erreichen der maximalen Hubhöhe des Kolbens im wenigstens einen Zylinder das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen, so dass der Luftdruck im Arbeitsraum reduziert wird und beim Erreichen der minimalen Hubhöhe des Kolbens im wenigstens einen Zylinder das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet, so dass der Luftdruck im Arbeitsraum erhöht wird.
Weiter bevorzugt werden die Ventile durch die Ventilsteuerung derart angesteuert, dass: in einem ersten Takt in welchem sich der Kolben zum Zylinderkopf hinbewegt, das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen ist, so dass der Kolben durch den Unterdrück in Richtung des Zylinderkopfs gezogen wird; in einem darauffolgenden zweiten Takt, in welchem sich der Kolben vom Zylinderkopf wegbewegt, einem ersten Zeitabschnitt das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet ist und in einem darauffolgenden zweiten Zeitabschnitt beide Ventile geschlossen sind, so dass im zweiten Zeitabschnitt der sich vom Zylinderkopf wegbewegende Kolben im Arbeitsraum einen Unterdrück erzeugt.
Beide Takte zusammen erfolgen während einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle.
Die beiden Takte werden während dem Betrieb insbesondere in einem kontinuierlichen Prozess nacheinander ausgeführt. Die Unterdruckkammer wird im Betrieb insbesondere fortlaufend mit einer fluidleitenden verbundenen Vakuumerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Vakuumpumpe, evakuiert. Mögliche Vakuumerzeugungseinrichtungen sind vorstehend beschrieben.
Der Druck in der Unterdruckkammer wird im Betrieb bevorzugt bei wenigstens 0.2 bar, insbesondere wenigstens 0.4 bar, im Speziellen wenigstens 0.7 bar, unterhalb des den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphärendrucks gehalten. Im Speziellen wird der Druck in der Unterdruckkammer im Bereich von 0.05 - 0.8 bar, insbesondere 0.1 - 0.5 bar, im Speziellen 0.1 - 0.3 bar, gehalten.
Weiter bevorzugt wird die aus dem Auslassventil strömende Luft genutzt um einen Turbolader anzutreiben, welcher die Umgebungsluft vor der Zuführung über das Einlassventil verdichtet. Dies verbessert die Effizient zusätzlich.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Kurbelgehäuse im Betrieb über eine Kurbelgehäusentlüftung, insbesondere eine offene Kurbelgeäusentlüftung entlüftet wird.
Ein zusätzlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung einer wie vorstehend beschriebene Anordnung zum Antreiben einer mechanischen Maschine und/oder zur Erzeugung von elektrischem Strom.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung mit einem verbrennungslos antreibbaren Hubkolbenmotor und einer Unterdruckkammer, in welcher gegenüber der den Hubkolbenmotor umgebenden Atmosphäre ein reduzierter Luftdruck erzeugbar ist;
Fig. 2 eine erste Art der Ansteuerung der Ventile des Hubkolbenmotors aus Fig. 1 . Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung 100. Diese umfasst einen zum verbrennungslosen Betrieb ausgelegten Hubkolbenmotor 1 10, welcher in Fig. 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Kurbelwelle dargestellt ist und z.B. sechs in Reihe angeordnete Zylinder umfasst. In Fig. 1 zu sehen ist der erste Zylinder 1 1 1 , während die anderen fünf Zylinder hinter dem ersten Zylinder liegen und in der Ansicht von Fig. 1 nicht sichtbar sind. Die gesamte mechanische Struktur des Hubkolbenmotors 1 10 ist z.B. vollständig aus Metall gefertigt.
Der erste Zylinder 1 1 1 des Hubkolbenmotors 1 10 ist im Motorblock 1 17 angeordnet und mit einem Zylinderkopf 1 18 verschlossen, wobei im Zylinder 1 1 1 ein Kolben 1 12 bewegbar gelagert ist. An der dem Zylinderkopf 1 18 abgewandten Seite des Kolbens 1 12 ist dieser über einen Pleuel 1 15 mit der Kurbelwelle 1 16 des Hubkolbenmotors 1 10 gekoppelt. Der Pleuel 1 15 und die Kurbelwelle 1 16 sind in einem Kurbelgehäuse 1 17a integriert. Das Kurbelgehäuse 1 17a ist integraler Bestandteil des Motorblocks 1 17 und verfügt zudem über eine offene Kurbelgehäuseentlüftung 1 17a.1 in Form einer Öffnung, welche sicherstellt, dass im Betrieb in einem dem Zylinderkopf 1 18 abgewandten Bereich 1 14 des Kolbens 1 12 stets ein im Wesentlichen konstanter Druck bzw. der den Hubkolbenmotor 1 10 umgebenden Atmosphärendruck vorliegt.
Am Zylinderkopf 1 18 liegt ein Einlassventil 1 19a und ein Auslassventil 1 19b vor. Über das Einlassventil 1 19a, ist das innere Arbeitsvolumen 1 13 des Zylinders 1 1 1 mit der den Hubkolbenmotor 1 10 umgebenden Atmosphäre fluidleitend verbindbar (wenn das Ventil 1 19a wie in Fig. 1 gezeigt geöffnet ist), um dem Zylinder bzw. dem Arbeitsraum 1 13 Umgebungsluft LZ zuzuführen, um Umgebungsdruck zu erzeugen. Das Auslassventil 1 19b (in Fig. 1 in der Geschlossenstellung gezeigt) ermöglicht es, den Arbeitsraum 1 13 des Zylinders 1 1 1 mit einer Unterdruckkammer 130 fluidleitend zu verbinden, um Abluft LA abzuführen und im Arbeitsraum 1 13 einen Unterdrück zu erzeugen (hierfür kann das Auslassventil 1 19b geöffnet und das Einlassventil 1 19a geschlossen werden). Des Weiteren verfügt der Hubkolbenmotor 1 10 über eine Ventilsteuerung 120 in Form von zwei parallelen Nockenwellen 120a, 120b, welche z.B. über einen Zahnriemen 121 (symbolisch als Verbindungspfeile dargestellt) mit der Kurbelwelle 1 16 gekoppelt sind. Die Nockenwellen 120a, 120b, sind beispielsweise mit einer Übersetzung von 2: 1 mit der Kurbelwelle 1 16 gekoppelt, so dass im Betrieb die Nockenwellen 120a, 120b die halbe Drehzahl der Kurbelwelle 1 16 aufweist.
Die Ventilsteuerung 120 ist so ausgestaltet, dass das Einlassventil 1 19a und das Auslassventil 1 19b im Betrieb derart angesteuert werden, dass der Kolben im Zylinder 1 1 1 durch abwechselndes Anlegen von Umgebungsdruck und Unterdrück hin und zurück bewegt wird. Mögliche Ansteuerungen um dies zu erreichen, werden im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 näher beschrieben. Die Ansteuerung der Ventile der weiteren Zylinder erfolgt analog, wobei die Kolben in den Zylindern 1 und 6 in Phase laufen, die Zylinder 2 und 5 in Phase zueinander aber phasenversetzt zu den Zylindern 1 und 6 laufen, während die Zylinder 3 und 4 in Phase zueinander, aber phasenversetzt zu den anderen Zylindern laufen.
Im Betrieb kann die aus dem Auslassventil 1 19b strömende Luft genutzt LA werden, um einen optionalen Turbolader 122 anzutreiben, welcher die Umgebungsluft vor der Zuführung über das Einlassventil verdichtet (angedeutet durch eine unterbrochene Verbindungslinie).
Der Hubkolbenmotor 1 10 ist über das Auslassventil 1 19b mit der Unterdruckkammer 130 verbunden, in welcher z.B. ein Druck von 0.2 bar vorliegt. Der Druck in der Unterdruckkammer 130 ist somit ca. 0.8 bar geringer als der Umgebungsdruck bzw. der Atmosphärendruck in welchem sich der Hubkolbenmotor 1 10 befindet. Der Unterdrück in der Unterdruckkammer! 30 kann mit einem Manometer 131 gemessen werden.
Die Unterdruckkammer 130 ist fluidleitend mit einer Vakuumerzeugungseinrichtung 132 verbunden. Dabei kann es sich um eine elektrisch betriebene Vakuumpumpe 132a, wie z.B. eine Drehschieberpumpe handeln, welche in Kombination mit einem elektrisch betriebenen Vakuum-Booster 132b, welcher zwischen Unterdruckkammer 130 und elektrisch betriebener Vakuumpumpe geschaltet ist, betrieben wird. Die aus der Unterdruckkammer 130 geförderte Luft wird in die Atmosphäre A abgegeben. Zusätzlich oder alternativ kann eine zweite Vakuumerzeugungseinrichtung 133 in Form eines Venturi- Rohrs vorliegen, welches z.B. in einem Wasserlauf angebracht ist, und aus der Unterdruckkammer 130 ebenfalls Luft evakuiert und in die Atmosphäre abgibt.
Die elektrisch betriebene Vakuumpumpe 132a und der Vakuum-Booster 132b können über einen optionalen Stromspeicher 150, z.B. einen Akkumulator, welcher durch eine externe Stromquelle 160, z.B. eine Solarzellen und/oder das Stromnetz, geladen wird, mit elektrischer Energie (als strichgepunktete Linie dargestellt) versorgt werden.
Während dem Betrieb wird der Druck in der Unterdruckkammer beispielsweise im Bereich von 0. 1 - 0.3 bar gehalten.
Die Kurbelwelle 1 16 des Hubkolbenmotors 1 10 ist des Weiteren über ein Getriebe 141 (in Fig. 1 mit einem Verbindungspfeil angedeutet) mit einem Stromgenerator 140 gekoppelt, so dass durch die Arbeit des Hubkolbenmotors 1 10 elektrische Nutzenergie E erzeugt werden kann.
Möglich ist es auch, einen Teil der im Generator erzeugten Energie dem Stromspeicher 150 zuzuführen. So kann z.B. unter Verwendung des Venturi-Rohrs erzeugte elektrische Energie in Form von Elektrizität im Stromspeicheri 50 zwischengespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt zum Betreiben des Unterdruckmotors 1 10 verwendet werden.
Über ein zweites Getriebe 142 kann die Kurbelwelle 1 16 optional mit einer mechanischen Maschine M gekoppelt werden, um diese direkt anzutreiben.
Fig. 2 zeigt eine erste Art der Ansteuerung der Ventile des ersten Zylinders 1 1 1 des Hubkolbenmotors 1 10. Die Ansteuerung der Ventile der weiteren Zylinder erfolgt analog, wobei diese aber zeitlich so angesteuert werden, dass die oben beschriebene Phasenbeziehungen erhalten werden. Konkret werden das Einlassventil 1 19a (linker waagrechter Pfeil) und das Auslassventil 1 19b (rechter waagrechter Pfeil) wie im Folgenden beschrieben angesteuert. Die Schliessstellung ist jeweils als ("X") und die Offenstellung als "O" gekennzeichnet. In einem ersten Takt 201 , in welchem sich der Kolben 1 12 zum Zylinderkopf hinbewegt (angedeutet durch den nach oben weisenden Pfeil), ist das Auslassventil 1 19b geöffnet (0) und das Einlassventil 1 19a geschlossen (X), so dass der Kolben durch den Unterdrück in Richtung des Zylinderkopfs gezogen wird.
In einem darauffolgenden zweiten Takt 202, in welchem sich der Kolben 1 12 vom Zylinderkopf wegbewegt (angedeutet durch den nach unten weisenden Pfeil), ist in einem ersten Zeitabschnitt (linke Seite) das Auslassventil geschlossen (X) und das Einlassventil geöffnet (O) und in einem darauffolgenden zweiten Zeitabschnitt (rechte Seite) sind beide Ventile geschlossen (X/X), so dass im zweiten Zeitabschnitt der sich vom Zylinderkopf wegbewegende Kolben im Arbeitsraum einen Unterdrück erzeugt.
Im anschliessenden Takt 203 sind die Ventile wie im ersten Takt 201 geschaltet, während im darauffolgenden Takt 204 die Ventile wie im zweiten Takt geschaltet sind. Darauf beginnt der Zyklus von neuem.
Im dargestellten Zyklus entspricht jeder der Takte einer halben Umdrehung der Kurbelwelle 1 16, so dass die Kurbelwelle nach einem Zyklus genau zwei Umdrehungen ausgeführt hat. Die Nockenwellen 120a, 120b drehen sich dabei genau einmal.
Die dargestellte Ausführungsform ist lediglich als Beispiel zu verstehen, welche im Rahmen der Erfindung beliebig abgeändert werden kann.
So ist es z.B. möglich, anstelle eines Reihenmotors 1 10 einen Sternmotor oder einen V- Motor vorzusehen. Auch kann der Motor mehr oder weniger als sechs Zylinder aufweisen.
Ebenso kann die Ventilsteuerung anders ausgestaltet sein. Z.B. können die Schliess- und Öffnungszeiten angepasst werden oder die Ansteuerung kann durch eine einzige Nockenwelle erfolgen.
Auch möglich ist es, einzelne Bestandteile oder die gesamte mechanische Struktur des Hubkolbenmotors 1 10 aus einem anderen Material als Metall zu fertigen, z.B. aus Kunststoff, Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff. Der Stromspeicher 150 kann auch weggelassen werden. In diesem Fall können die elektrisch betriebene Vakuumpumpe 132a und der Vakuum-Booster 132b z.B. direkt an die externe Stromquelle 160 angeschlossen werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass eine besonders vorteilhafte Anordnung umfassend einen Hubkolbenmotor und eine Unterdruckkammer bereitgestellt wurde, welche sich zur wirtschaftlichen Gewinnung, Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Energie in unterschiedlichen Formen einsetzen lässt.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung (100) umfassend einen Hubkolbenmotor (110), welcher zum verbrennungslosen Betrieb ausgelegt ist, sowie eine Unterdruckkammer (130), in welcher gegenüber der den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphäre (A) ein reduzierter Luftdruck erzeugbar ist, wobei: a) der Hubkolbenmotor (110) wenigstens einen mit einem Zylinderkopf (118) verschlossenen Zylinder (111) aufweist, in welchem ein Kolben (112) bewegbar ist und wobei der Kolben (112) an der dem Zylinderkopf (118) abgewandten Seite über einen Pleuel (115) mit einer Kurbelwelle (116) des Hubkolbenmotors (110) gekoppelt ist, wobei der Pleuel (115) und die Kurbelwelle (116) in einem Kurbelgehäuse (117a) des Hubkolbenmotors (110) integriert sind; b) der wenigstens eine Zylinder (111) am Zylinderkopf (118) wenigstens ein Einlassventil (119a) und wenigstens ein Auslassventil (119b) aufweist, wobei die Unterdruckkammer (130) über das Auslassventil (119b) mit einem Arbeitsraum (113) des wenigstens einen Zylinders (111) fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum (113) einen Unterdrück zu erzeugen und über das Einlassventil (119a) der Arbeitsraum (113) mit der den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphäre (A) fluidleitend verbindbar ist, um im Arbeitsraum (113) Umgebungsdruck zu erzeugen; c) wobei eine Ventilsteuerung (120) vorliegt, welche das Einlassventil (119a) und das Auslassventil (119b) im Betrieb derart ansteuert, dass der Kolben (112) im wenigstens einen Zylinder (111) durch abwechselndes Anlegen von Umgebungsdruck und Unterdrück hin und zurück bewegt wird; d) und der Hubkolbenmotor (110) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb in einem dem Zylinderkopf (118) abgewandten Bereich (114) des Kolbens stets ein im Wesentlichen konstanter Druck, insbesondere ein den Hubkolbenmotor (110) umgebenden Atmosphärendruck (A), vorliegt. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenmotor (110) wenigstens zwei Zylinder aufweist, insbesondere vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Zylinder. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung (120) über wenigstens eine mit der Kurbelwelle (116) gekoppelte Nockenwelle (120a, 120b) realisiert ist. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Nockenwelle (120a, 120b) mit einer Übersetzung von 2:1 mit der Kurbelwelle (116) gekoppelt ist, so dass im Betreib die wenigstens eine Nockenwelle (120a, 120b) die halbe Drehzahl der Kurbelwelle (116) aufweist. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerung ( 120) derart ausgelegt ist, dass: in einem ersten Takt, in welchem sich der Kolben (112) zum Zylinderkopf (118) hinbewegt, das Auslassventil (119b) geöffnet und das Einlassventil (119a) geschlossen ist, so dass der Kolben (112) durch den Unterdrück in Richtung des Zylinderkopfs (118) gezogen wird; in einem darauffolgenden zweiten Takt, in welchem sich der Kolben (112) vom Zylinderkopf (118) wegbewegt, einem ersten Zeitabschnitt das Auslassventil (119b) geschlossen und das Einlassventil (119a) geöffnet ist und in einem darauffolgenden zweiten Zeitabschnitt beide Ventile (119a, 119b) geschlossen sind, so dass im zweiten Zeitabschnitt der sich vom Zylinderkopf (118) wegbewegende Kolben (112) im Arbeitsraum (113) einen Unterdrück erzeugt. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorblock (117), der Kolben (112), der Pleuel (115), die Kurbelwelle (116), die wenigstens eine Nockenwelle (120a, 120b) und/oder das Kurbelgehäuse (117a) des Hubkolbenmotors (110), insbesondere die gesamte mechanische Struktur des Hubkolbenmotors (110), aus Kunststoff, Keramik und/oder einem Verbundwerkstoff besteht.
. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterdruckkammer (130) fluidleitend mit einer Vakuumerzeugungseinrichtung (132, 133), insbesondere einer Vakuumpumpe, verbunden ist, so dass die Unterdruckkammer ( 130) durch die
Vakuumerzeugungseinrichtung ( 132) evakuiert werden kann oder wird. . Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumerzeugungseinrichtung (133) ein Venturi-Rohr beinhaltet. . Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumerzeugungseinrichtung ( 132, 133) eine elektrisch betriebene Vakuumpumpe ( 132a), insbesondere eine Drehschieberpumpe, beinhaltet und wobei optional die Vakuumerzeugungseinrichtung nebst der elektrisch betriebenen Vakuumpumpe ( 132a) zusätzlich einen Vakuum-Booster ( 132b) beinhaltet, welcher zwischen Unterdruckkammer ( 130) und der elektrisch betriebenen Vakuumpumpe (132a) geschaltet ist.
10. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenmotor ( 1 10) über einen Turbolader ( 122) verfügt, wobei der Turbolader ( 122) so konfiguriert ist, dass er durch die aus dem Auslassventil ( 1 19b) strömende Luft angetrieben wird und die über das Einlassventil (1 19a) zugeführte Umgebungsluft verdichtet.
1 1. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle ( 1 16) des Hubkolbenmotors (1 10) mit einem Stromgenerator ( 140) gekoppelt ist, so dass durch die Arbeit des Hubkolbenmotors (1 10) elektrischer Strom (E) erzeugt werden kann oder wird.
12. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung ( 100) gemäss einem der Ansprüche 1 - 1 1 , wobei über das Einlassventil ( 1 19a) und das Auslassventil ( 1 19b) im Arbeitsraum (1 13) abwechselnd Unterdrück und Umgebungsdruck angelegt wird, so dass der Kolben ( 1 12) im wenigstens einen Zylinder ( 1 1 1) hin und zurück bewegt wird. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Unterdruckkammer (130) wenigstens 0.2 bar, insbesondere wenigstens 0.4 bar, im Speziellen wenigstens 0.7 bar, geringer ist als der den Hubkolbenmotor ( 1 10) umgebenden Atmosphärendruck (A). 14. Verwendung einer Anordnung gemäss einem der Ansprüche 1 - 13 zum Antreiben einer mechanischen Maschine (M) und/oder zur Erzeugung von elektrischem Strom (E).
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