[0001] Die Erfindung betrifft eine mittels Druckluft antreibbare Maschine, mit einem in
einem Zylinder beweglichen Kolben, mit einer Kurbelwelle und mit einem Pleuel zur
Übertragung einer linearen Bewegung des Kolbens auf die Kurbelwelle.
[0002] Solche Maschinen sind besonders umweltfreundlich, weil keine schädlichen Abgase entstehen.
Druckluft lässt sich einfach herstellen und vorrätig halten.
[0003] Eine solche auch als Druckluftmotor bezeichnete Maschine ist beispielsweise aus der
EP 1 082 550 B1 bekannt. Bei dieser Maschine steuert der Kolben ein in einem Zylinderkopf angeordnetes
Steuerventil. Bewegt sich der Kolben zu einem oberen Totpunkt, wird das Ventil geöffnet
und Druckluft strömt in einen Raum zwischen Kolben und Zylinderkopf ein. Diese Druckluft
verschiebt den Kolben in Richtung unteren Totpunkt. Am unteren Totpunkt hat der Zylinder
eine Ablassöffnung, durch die Luft aus dem Zylinder abströmt. Anschließend wird der
Kolben beispielsweise mittels einer Schwungmasse an der Kurbelwelle wieder in Richtung
oberen Totpunkt bewegt.
[0004] Nachteilig bei der bekannten Maschine ist jedoch, dass der Wirkungsgrad sehr begrenzt
ist. Beispielsweise wird innerhalb des Zylinders befindliche Luft bei der Bewegung
vom unteren zum oberen Totpunkt komprimiert. Zudem ist die Steuerung der Druckluft
in den Zylinder sehr unflexibel.
[0005] Aus der
DD 144 432 ist ein Druckluftmotor bekannt geworden, bei dem ein Kolbenschieberventil parallel
zu einem Hubkolben angeordnet ist. Ein Schieber wird gegen Ende jedes Hubes des Hubkolbens
mittels einer Schnappvorrichtung umgestellt.
[0006] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Maschine der eingangs genannten Art
so weiter zu bilden, dass vorhandene Maschinen einfach mit einem Druckluftantrieb
nachrüstbar sind und dass die Maschine einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
[0007] Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein mit Druckluft beaufschlagbarer
Pneumatikzylinder mit einem darin angeordneten Pneumatikkolben oberhalb des Kolbens
angeordnet ist und dass der Pneumatikkolben mit dem Kolben über ein Kraftübertragungsglied
verbunden ist.
[0008] Durch diese Gestaltung lassen sich vorhandene Brennkraftmaschinen einfach zum Antrieb
mit Druckluft umrüsten. Hierzu wird der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine durch
den Pneumatikzylinder mit dem Pneumatikkolben ersetzt und der vorhandene Kolben über
das Kraftübertragungsglied angetrieben. Die in den Pneumatikzylinder einströmende
Druckluft lässt sich über ein Steuerventil einfach regeln. Damit gestaltet sich auch
die Regelung der Leistung der Maschine sehr einfach. Weiterhin weist die Maschine
einen hohen Wirkungsgrad auf, weil eine Komprimierung von Luft in dem Zylinder vermieden
wird. Die Maschine lässt sich zudem mittels abströmender Druckluft kühlen, so dass
keine weitere Kühlung erforderlich ist. Vorzugsweise werden Pneumatikzylinder eingesetzt,
welche auf Lebenszeit geschmiert sind. Dank der Erfindung lassen sich vorhandene Kolbenmaschinen,
wie Otto - oder Dieselmotoren, einfach mit dem Druckluftantrieb nachrüsten.
[0009] Toleranzen zwischen dem Zylinder und dem Pneumatikzylinder lassen sich gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach ausgleichen, wenn der Pneumatikzylinder
einen größeren Hub hat als der Zylinder. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Pneumatikkolben
den von der Kurbelwelle bestimmten Bewegungsbereich des Kolbens vollständig ausführen
kann.
[0010] Zug- und Druckkräfte lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung besonders einfach von dem Pneumatikkolben auf den Kolben übertragen,
wenn das Kraftübertragungsglied als Zug- und Druckstange ausgebildet ist. Im einfachsten
Fall hat der Pneumatikkolben eine aus dem Pneumatikzylinder herausragende Kolbenstange.
Die Kolbenstange kann konstruktiv besonders einfach mit dem Kolben verschraubt werden.
[0011] Die Zuführung der Druckluft zu einem vorgesehenen Zeitpunkt in den Pneumatikzylinder
gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders
einfach, wenn vor dem Pneumatikzylinder ein Steuerventil angeordnet ist und wenn das
Steuerventil mit einer die Stellung des Kolbens erfassenden Schalteinrichtung verbunden
ist. Durch diese Gestaltung kann die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Stellung
des Kolbens ein Steuersignal erzeugen, welches das Steuerventil öffnet und die Druckluft
in den Pneumatikzylinder freigibt.
[0012] Die Synchronisation der Bewegungen des Kolbens und des Antriebs der Pneumatikkolben
gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders
einfach, wenn die Schalteinrichtung einen von der Kurbelwelle angetriebenen Rotationskörper
hat. Im einfachsten Fall ist der Rotationskörper eine Scheibe.
[0013] Eine besonders genaue elektrische Ansteuerung des Steuerventils lässt sich gemäß
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach erreichen, wenn die
Schalteinrichtung einen auf dem Rotationskörper angeordneten Magnet und einen vor
dem Rotationskörper angeordneten Hallsensor hat und wenn das Steuerventil elektrisch
von Signalen des Hallsensors schaltbar ist. Durch diese Gestaltung lässt sich ein
elektrisch schaltbares Steuerventil einsetzen. Solche Steuerventile sind standardisierte
Bauteile und arbeiten beispielsweise mit einer Versorgungsspannung von 24V.
[0014] Die Maschine gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
konstruktiv besonders einfach, wenn ein Stellglied zur Leistungsregelung mit einem
vor dem Pneumatikzylinder angeordneten Druckregler verbunden ist.
[0015] Zur Vereinfachung der Regelung der Maschine trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung bei, wenn ein Stellglied zur Leistungsregelung mit der
Schalteinrichtung zur Verstellung eines Zeitpunktes und/oder der Zeitdauer der Druckbeaufschlagung
des Pneumatikzylinders verbunden ist. Die Regelung der Leistung der Maschine ermöglicht
hierdurch insbesondere im Teillastbereich einen sparsamen Verbrauch von Druckluft.
Vorzugsweise erfolgt die Leistungsregelung kombiniert an dem Druckregler und an der
Schalteinrichtung.
[0016] Die Leistungsregelung der Maschine gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn die Position der Hallsensoren
gegenüber dem Rotationskörper in dessen Drehrichtung verstellbar ist.
[0017] Ein Mehrzylindermotor lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung einfach erzeugen, wenn mehrere Pneumatikzylinder über einzelnen Zylindern
angeordnet und deren Pneumatikkolben mit einzelnen Kolben verbunden sind.
[0018] Eine Mehrzylindermaschine lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung besonders einfach ansteuern, wenn mit parallel beweglichen Kolben verbundene
Pneumatikkolben mit einem gemeinsamen Steuerventil verbunden sind.
[0019] Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung
ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Diese zeigt in
- Fig.1
- schematisch eine mittels Druckluft antreibbare Maschine,
- Fig.2
- eine Ansicht auf eine Schalteinrichtung zur Steuerung der Maschine aus Figur 1.
[0020] Figur 1 zeigt eine mittels Druckluft aus einem Druckluftspeicher antreibbare Maschine.
Die Maschine 2 hat eine Kurbelwelle 3 mit vier daran über Pleuel 4 angebundene Kolben
5. Die Kolben 5 sind jeweils in einem Zylinder 6 geführt. Oberhalb der Zylinder 6
sind vier auf einem plattenförmigen Träger 7 befestigte Pneumatikzylinder 8 angeordnet.
Bei dem Träger 7 kann es sich beispielsweise um eine Aluminiumplatte handeln. In den
Pneumatikzylindern sind jeweils Pneumatikkolben 9 verschieblich geführt. Die Pneumatikkolben
und die Kolben sind über ein als Zug- und Druckstange ausgebildetes Kraftübertragungsglied
10 miteinander verbunden. Der Druckluftspeicher 1 ist über eine Druckluftleitung 11
mit den Pneumatikzylindern 8 verbunden. Innerhalb der Druckluftleitung 11 sind ein
ansteuerbarer Druckregler 12 und zwei elektrisch ansteuerbare, als 3/2 Wege Ventile
ausgebildete Steuerventile 13 angeordnet. Von der Kurbelwelle 3 ist ein als Scheibe
ausgebildeter Rotationskörper 14 einer Schalteinrichtung 15 ansteuerbar. Vor dem Rotationskörper
14 sind zwei Hallsensoren 16 angeordnet. Auf dem Rotationskörper 14 ist zumindest
ein Magnet 17 angeordnet. Die Maschine 2 hat ein Stellglied 18 zur Leistungsregelung.
[0021] In der dargestellten Stellung befinden sich die beiden mittleren Kolben 5 am unteren
Totpunkt und die beiden äußeren Kolben 5 am oberen Totpunkt. Das Steuerventil 13 zur
Steuerung der Pneumatikzylinder 8 der beiden äußeren Kolben 5 befindet sich in einer
Schaltstellung, in der Druckluft aus dem Druckluftspeicher 1 in die Pneumatikzylinder
8 einströmen kann. Damit werden die beiden äußeren Kolben 5 von der Druckluft nach
unten zum unteren Totpunkt bewegt. Das Steuerventil 13 der Pneumatikzylinder 8 für
die beiden inneren Kolben 5 befindet sich in einer Schaltstellung, in der die Pneumatikzylinder
8 mit der Umgebung verbunden sind und damit bei der Bewegung der Kolben 5 zum oberen
Totpunkt hin Luft aus den Pneumatikzylinder 8 abgeführt werden kann.
[0022] In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind einfach wirkende Pneumatikzylinder
8 dargestellt. Selbstverständlich können auch nicht dargestellte doppelt wirkende
Pneumatikzylinder eingesetzt werden. Mittels solchen doppelt wirkenden Pneumatikzylindern
können Zugkräfte über das Kraftübertragungsglied 10 auf die Kolben 5 übertragen werden.
[0023] Figur 2 zeigt vergrößert die Schalteinrichtung der Maschine 2 mit dem Rotationskörper
14 aus Figur 1. Hierbei ist zu erkennen, dass ein einzelner Magnet 17 auf dem Rotationskörper
14 angeordnet ist. Bei einem Vorbeibewegen an den Hallsensoren 16 erzeugen diese ein
Signal, welches einer definierten Stellung der beiden äußeren oder der beiden inneren
Kolben 5 entspricht. Dieses Signal wird dem Stellglied 18 aus Figur 1 zugeführt, welches
die Steuerventile 13 ansteuert.
[0024] Zum Start der Maschine 2 werden die entsprechenden Pneumatikzylinder 8 mit Druckluft
beaufschlagt, deren gegenüberstehenden Kolben 5 sich etwa eine 1/4 Umdrehung nach
dem oberen Totpunkt befinden. Zur Steigerung der Leistungsabgabe der Maschine 2 wird,
beispielsweise durch entsprechende Bewegung der Hallsensoren 16 der Zeitpunkt der
Beaufschlagung des Pneumatikzylinders 8 mit Druckluft näher zum oberen Totpunkt des
zugehörigen Kolbens 5 hin verschoben.
[0025] Selbstverständlich kann die Maschine 2 auch einen von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen
bekannten Anlassermotor zum Antrieb der Kurbelwelle 3 aufweisen. Dieser Anlassermotor
kann die Kurbelwelle 3 drehen bis die Hallsensoren 16 ein Signal liefern und die Pneumatikzylinder
8 mit Druckluft beaufschlagt werden.
1. Mittels Druckluft antreibbare Maschine (2), mit einem in einem Zylinder (6) beweglichen
Kolben (5), mit einer Kurbelwelle (3) und mit einem Pleuel (4) zur Übertragung einer
linearen Bewegung des Kolbens (5) auf die Kurbelwelle (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Druckluft beaufschlagbarer Pneumatikzylinder (8) mit einem darin angeordneten
Pneumatikkolben (9) oberhalb des Kolbens (5) angeordnet ist und dass der Pneumatikkolben
(9) mit dem Kolben (5) über ein Kraftübertragungsglied (10) verbunden ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pneumatikzylinder (8) einen größeren Hub hat als der Zylinder (6).
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsglied (10) als Zug- und Druckstange ausgebildet ist.
4. Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Pneumatikzylinder (8) ein Steuerventil (13) angeordnet ist und dass das Steuerventil
(13) mit einer die Stellung des Kolbens (5) erfassenden Schalteinrichtung (15) verbunden
ist.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15) einen von der Kurbelwelle (3) angetriebenen Rotationskörper
(14) hat.
6. Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15) einen auf dem Rotationskörper (14) angeordneten Magnet
(17) und einen vor dem Rotationskörper (14) angeordneten Hallsensor (16) hat und dass
das Steuerventil (13) elektrisch von Signalen des Hallsensors (16) schaltbar ist.
7. Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellglied (18) zur Leistungsregelung mit einem vor dem Pneumatikzylinder (8)
angeordneten Druckregler (12) verbunden ist.
8. Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellglied (18) zur Leistungsregelung mit der Schalteinrichtung (15) zur Verstellung
eines Zeitpunktes und/oder der Zeitdauer der Druckbeaufschlagung des Pneumatikzylinders
(8) verbunden ist.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Hallsensoren (16) gegenüber dem Rotationskörper (14) in dessen Drehrichtung
verstellbar ist.
10. Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pneumatikzylinder (8) über einzelnen Zylindern (6) angeordnet und deren Pneumatikkolben
(9) mit einzelnen Kolben (5) verbunden sind.
11. Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit parallel beweglichen Kolben (5) verbundene Pneumatikkolben (9) mit einem gemeinsamen
Steuerventil (13) verbunden sind.