Kolbenkraftmaschine mit integrierter hydraulischer Kraftübertragung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenkraftmaschine, mit einem Arbeitszylinder, der über Einlassventile mit einem, aus einem Druckkessel kommenden gasförmigen Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, und in dem Arbeitszylinder ein an einer Arbeitskolbenstange angeordneter Arbeitskolben hin und her bewegbar ist.

Bei derartigen überwiegend langsam laufenden Kolbenkraftmaschinen, wie sie beispielsweise aus der DE 77 32 705 Ul bekannt sind, treten üblicherweise zwi- sehen dem Kolben, dem Arbeitszylinder und der Umwandlung der Hin- und Herbewegung des Kolbens zur Arbeitsleistung in eine Drehbewegung mittels einer Kurbelwelle große Kräfte auf, die mit entsprechend stabilen und schweren Bauteilen übertragen werden müssen. An den Durchführungen der Kolbenstange aus dem Zylinderraum treten dabei bekanntermaßen Dichtprobleme auf . Eine völlige Abdichtung ist kaum oder nur mit sehr großem verlustreichem Aufwand zu erzielen. So ist beispielsweise aus der WO 02/066 806 Al eine Leckausgleichein- richtung bekannt, die durch die betroffene Kolbenanordnung auf mechanische Weise direkt betätigt werden kann. Dazu ist es aus der DE 21 31 038 Al bekannt, dass die Kolbenstangen an ihrem dem Kolben abgewandten Ende eine Steuernut aufweisen. Sehr teure oder gesundheitsschädi- gende Arbeitsmedien, die nach der Entspannung sofort wieder komprimiert werden können, wie sie beispielswei-

se in der DE-PS 155 744 beschrieben sind, können deshalb nur sehr begrenzt eingesetzt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kolbenkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der ein Entweichen des Arbeitsmediums verhindert wird und nach der Entspannung das Arbeitsmedium eine sofortige Rückkompression erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Aus- führungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Insbesondere wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Arbeitskolbenstange zweiteilig ausgebildet und einander gegenüberliegend fest mit dem Arbeits- kolben verbunden ist, die Arbeitskolbenstangen durch die einander gegenüberliegenden Seiten aus dem Arbeits- zylinder geführt sind, an den einander gegenüberliegenden Arbeitskolbenstangen endseitig primäre Hydraulikkolben angeordnet sind, die in primären Hydraulikzylin- dem hin und her bewegbar sind, die primären Hydraulikzylinder über Hydraulikleitungen mit sekundären Hydraulikzylindern verbunden sind, in denen sekundäre Hydraulikkolben angeordnet sind und die sekundären Hydraulik- kolben über Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle verbun- den sind.

Zur bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, dass das gasförmige Arbeitsmedium ein Mischdampf, vorzugsweise ein aus Wasser und Benzol bestehender Misch- dampf, ist.

Durch diese Maßnahmen wird ein möglicherweise gesundheitschädliches, relativ teures Arbeitsmedium, beispielsweise ein Mischdampf aus Wasser und Benzol,

aufgefangen und verlustfrei wieder in den Dampfkreis- lauf zurückgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, die Arbeitskolbenstangen in Kolbenstangendichtungen auf beiden Seiten aus dem Arbeitszylinder und durch sich anschließende Leckageräume zu führen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungs- form der Erfindung sind die Auslassventile des Arbeits- Zylinders über Sekundärleitungen mit dem Druckkessel verbunden .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, die Dampfleckageräume über Leckagerück- laufleitungen mit der Sekundärleitung zu verbinden, wobei der Sekundärleitung ein Nebelabscheider zugeordnet ist. Dadurch wird das nasse Arbeitsmedium trocken und kann wieder komprimiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, den zu den sekundären Hydraulikzylindern führenden Hydraulikleitungen Kompressionshydraulikzylinder nachzuordnen, in den Kompressionshydraulikzylindern Kompressionshydraulikkolben hin und her bewegbar anzuordnen und die Kompressionshydraulikkolben über Kompressionskolbenstangen mit in Kompressionszylindern hin und her bewegbaren Kompressionskolben zu verbinden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, die Kompressionskolbenstangen starr mit den

Kompressionshydraulikkolben und den Kompressionskolben zu verbinden. Dadurch wird die Anzahl der beweglichen

Teile reduziert und ein Austreten von Arbeitsmedium verhindert .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgese- hen, die Kompressionszylinder über von einem Nebelabscheider kommende Sekundärleitungen mit entspanntem sekundären Arbeitsmedium zu beaufschlagen, das entspannte sekundäre Arbeitsmedium in den Kompressionszylindern zu komprimieren und komprimiert über Sekundärleitungen isobar an den Druckkessel zurückzuführen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es dazu vorgesehen, die sekundären Hydraulikkolben an Kolbenstangen in den sekundären Hydraulikzylindern zu füh- ren und die sekundären Hydraulikkolben über Knickhebel und Pleuelstangen auf eine Kurbelwelle zu führen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist den Hydraulikleitungen eine Ausgleichsvor- richtung zugeordnet, über die über Ausgleichsventile Hydrauliköl aus einem Vorratsbehälter bei Leckage nachgespeist und bei Temperatur bedingter Ausdehnung abgespeist werden kann.

In einer weiteren besonders bevorzugten Aus- führungsform ist es vorgesehen, dass die Ausgleichsvorrichtung über Drosselventile mit der Hydraulikleitung verbunden ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs- form der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist es vorgesehen, das Arbeitsmedium mit einem Arbeitsdruck (pl) über eine Primärleitung und Einlassventile wechselweise in primäre Arbeitsräume eines Arbeitszylinders einzuleiten und über Auslassventile mit einem entspann-

ten Sekundärdruck (p2) über Sekundärleitungen und einen Nebelabscheider an Kompressionszylinder zu leiten, dort zu komprimieren und von dort isobar an den Druckkessel zurückzuführen .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, es zeigt:

Figur 1 die schematische Darstellung einer Kolbenkraftmaschine, mit in einem Arbeitszylinder mittels einer zweiseitigen hin und her bewegbaren Arbeitskolbenstange, mit hydraulischer Kraftübertragung zur Umwandlung der erzeugten Linearbewegung in eine Drehbewegung, wobei sich der Arbeitskolben in linker Ausgangsposition, der eine sekundäre Hydraulikkolben in seinem unteren Totpunkt (UT) , der andere sekundäre Hydraulikkolben in seinem oberen

Totpunkt (OT) und die Kompressionskolben in ihren unteren Totpunkten befinden;

Figur 2 eine Kolbenkraftmaschine nach der Figur 1, mit etwa mittigem nach rechts laufendem Arbeitskolben, bei mittiger Kolbenstellung der sekundären Hydraulikkolben und nach oben gefahrenem ersten Kompressionskol- ben;

Figur 3 die schematische Darstellung einer Kolbenkraftmaschine nach der Figur 1, mit in seine rechte Ausgangspo-

sition gefahrenem Arbeitskolben, mit in seinen oberen Totpunkt (OT) gefahrenen ersten sekundären Hydraulikkolben und in seinen unteren Totpunkt (UT) gefahrenem zweiten sekundären Hydraulikkolben, bei in ihren unteren Totpunkten befindlichen Kompressionskolben;

Figur 4 die schematische Darstellung einer Kolbenkraftmaschine nach der Figur

1, mit etwa mittig stehendem, nach links laufendem Arbeitskolben, bei mittiger Kolbenstellung der sekundären Hydraulikkolben und nach oben gefahrenem zweiten Kompressionskolben;

Figur 5 die schematische Darstellung eines Kurbelwellentriebs für eine Kolbenkraftmaschine nach den Figuren 1 bis 4;

Figur 6 vier Detaildarstellungen des Kurbelwellentriebs einer Kolbenkraftmaschine nach der Figur 5 , wobei das Detail „A" die Position der Kurbelwelle bei Stellung des Arbeitskolbens gemäß Figur 1, das Detail „B" die Position der Kurbelwelle bei Stellung des Arbeitskolbens gemäß Figur 2, das Detail „C" die Position der Kurbelwelle bei

Stellung des Arbeitskolbens gemäß Figur 3 und das Detail „D" die Position der Kurbelwelle bei Stellung

des Arbeitskolbens gemäß Figur 4 zeigt;

Figur 7 die schematische Darstellung der Nach- und Abspeisung von Hydraulik- öl zur Erzielung eines konstanten

Arbeitsdruckes in den die Arbeit übertragenden Hydraulikleitungen;

Figur 8 die schematische Darstellung des Umlaufs des Arbeitsmediums und die Abführung und Rückgewinnung von an den Kolbenstangendichtungen und in den KompressionsZylindern auftretenden Leckagen an Arbeitsmedium.

Die in den Figuren 1, 2, 3 und 4 schematisch dargestellte Kolbenkraftmaschine besteht im Wesentlichen aus einem Arbeitszylinder 1, in dem ein doppelt wirkender Arbeitskolben Ia fest und starr auf einer Seite mit einer Arbeitskolbenstange 2 und auf der anderen Seite mit einer Arbeitskolbenstange 2a verbunden ist.

Die Arbeitskolbenstange 2 ist an ihrem dem Arbeitskolben Ia entgegen gesetzten freien Ende mit einem primären Hydraulikkolben 3 und die Arbeitskolbenstange 2a mit einem primären Hydraulikkolben 4 fest verbunden. Die primären Hydraulikkolben 3 und 4 sind in primären Hydraulikzylindern 5 und 6 hin und her bewegbar angeordnet.

Die primären Hydraulikzylinder 5 und 6 sind einstückig mit Hydraulikleitungen 7 und 8 verbunden, die zu sekundären Hydraulikzylindern 9 und 10 führen. In den sekundären Hydraulikzylindern 9 und 10 sind sekundäre Hydraulikkolben 11 und 12 hin und her bewegbar angeordnet, die die Linearbewegung des Arbeitskolbens

Ia über Kolbenstangen 25 und 26, Knickhebel 23 und 24 und Pleuelstangen 27 und 28 auf eine Kurbelwelle 13 übertragen. Die Kurbelwelle 13 ist als Doppelkurbelwelle ausgebildet und in Kurbelwellenlagern 13a gelagert, während die Pleuelstangen 27 und 28 in Pleuellagern 29 und 30 gelagert sind.

In den Hydraulikleitungen 7 und 8 befindet sich Hydrauliköl 14, mit dem die Hin- und Herbewegung der primären Hydraulikkolben 3 und 4 1:1 auf eine Hin- und Herbewegung der sekundären Hydraulikkolben 11 und 12 in den sekundären Hydraulikzylindern 9 und 10 übertragen werden kann.

Den Hydraulikleitungen 7 und 8 sind T-Stücke 15 und 16 zugeordnet, in denen eine hydraulische Ver- bindung zu Kompressionshydraulikzylindern 17 und 18 hergestellt wird. In den Kompressionshydraulikzylindern 17 und 18 sind Kompressionshydraulikkolben 19 und 20 angeordnet. Die Kompressionshydraulikkolben 19 und 20 sind fest mit Kompressionskolbenstangen 19a und 20a verbunden, die an ihren den Kompressionshydraulikkolben 19 und 20 entgegen gesetzten Seiten fest mit Kompressionskolben 21 und 22 verbunden sind. Die Kompressions- kolben 21 und 22 sind in Kompressionszylindern 21a und 22a hin und her bewegbar.

Der Arbeitszylinder 1 kann über seine Einlassventile 40 und 40a und eine Primärleitung 48 von einem Druckkessel 50 mit einem gasförmigen Arbeitsmedium, vorzugsweise einem Mischdampf aus Wasser und Benzol, mit einem Arbeitsdruck pl beaufschlagt werden.

Der Arbeitszylinder 1 weist dazu auf jeder

Seite des Arbeitskolbens Ia einen primären Arbeitsraum 46 bzw. 46a auf. In den primären Arbeitsräumen 46 bzw. 46a entspannt sich das Arbeitsmedium von seinem Arbeitsdruck pl zu einem niedrigeren Sekundärdruck p2 ,

mit dem es bei dem nächsten Arbeitshub des Arbeitskolbens Ia über die Auslassventile 41 und 41a in eine Sekundärleitung 49 abgegeben wird.

Beiderseits des Arbeitszylinders 1 sind Le- ckageräume 38 vorgesehen, in denen die durch Kolbenstangendichtungen 39 aus den primären Arbeitsräumen 46 bzw. 46a kommenden Arbeitskolbenstangen 2 und 2a längs verlaufend angeordnet sind. Tritt eine Leckage von Arbeitsmedium an den Kolbenstangendichtungen 39 in die Leckageräume 38 aus, so wird es hier aufgefangen und kann nicht in die Umgebung entweichen.

Die von dem Arbeitskolben Ia in dem Arbeits- zylinder 1 erzeugte und über die Hydraulikleitungen 7 und 8 auf die sekundären Hydraulikzylinder 9 und 10 übertragene lineare Bewegung wird über Kolbenstangen 25 und 26 und Pleuelstangen 27 und 28 auf eine Kurbelwelle 13 übertragen, wie sie in der Figur 5 dargestellt ist.

Die Kurbelwelle 13 ist in Kurbelwellenlagern 13a drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 13 ist Vorzugs- weise als Doppelkurbelwelle ausgebildet. Mit der Kurbelwelle 13 können die linearen Bewegungen der Kolbenstangen 25 und 26 in eine Drehbewegung umgewandelt werden.

Die Kolbenstangen 25 und 26 sind mit in nicht dargestellten Führungen geführten Knickhebeln 23 bzw. 24 verbunden, die um Drehpunkte 23a bzw. 24a verschwenkt werden können. Den Drehpunkten 23a bzw. 24a entgegengesetzt sind die Knickhebel 23 und 24 mit Gelenklagern 23b bzw. 24b versehen.

In diesen Gelenklagern 23b bzw. 24b sind die

Knickhebel 23 und 24 gelenkig mit den Kolbenstangen 25 bzw. 26 verbunden. In Lagern 23c bzw. 24c sind die Knickhebel 23 und 24 gelenkig mit den Pleuelstangen 27

bzw. 28 verbunden. Die Pleuelstangen 27 bzw. 28 sind in Pleuellagern 29 bzw. 30 drehbar mit der Kurbelwelle 13 verbunden .

Die Fig. 6 zeigt in den Details „A", „B", „C" und „D" bei der jeweiligen Stellung der Kurbelwelle 13 die Position des Arbeitkolbens Ia, die Position der sekundären Hydraulikkolben 11 und 12 anhand des sekundären Hydraulikkolbens 12 und die Position der Kompressi- onskolben 21 und 22, wie sie in den Figuren 1 bis 4 dar- gestellt sind.

Bei der im Detail „A" dargestellten Stellung der Kurbelwelle 13 befindet sich der Arbeitskolben Ia am linken Anschlag im Arbeitszylinder 1 und der erste - der linke sekundäre Hydraulikkolben 12 in seinem unte- ren Totpunkt (UT) und der rechte - der zweite - sekundäre Hydraulikkolben 11 in seinem oberen Totpunkt (OT) , gemäß Figur 1. Die Kompressionskolben 21 und 22 befinden sich beide in ihren unteren Totpunkten.

Bei der im Detail „B" dargestellten Stellung der Kurbelwelle 13 befindet sich der Arbeitskolben Ia etwa mittig im Arbeitszylinder 1 in der Bewegung nach rechts. Der linke sekundäre Hydraulikkolben 12 und der rechte sekundäre Hydraulikkolben 11 befinden sich beide etwa mittig zwischen ihren unteren Totpunkten (UT) und ihren oberen Totpunkten (OT), gemäß Figur 2. Der linke

- der erste - Kompressionskolben 22 befindet sich in seinem oberen Totpunkt (OT) . Er gibt dabei den linken - den ersten - Kompressionsraum 47 frei. Der rechte - der zweite - Kompressionskolben 21 befindet sich in seinem unteren Totpunkt (UT) .

Bei der im Detail „C" dargestellten Stellung der Kurbelwelle 13 befindet sich der Arbeitskolben Ia am rechten Anschlag im Arbeitszylinder 1, der linke sekundäre Hydraulikkolben 12 befindet sich in seinem obe-

ren Totpunkt (OT) und der rechte sekundäre Hydraulikkolben 11 befindet sich in seinem unteren Totpunkt (UT), gemäß Figur 3. Die Kompressionskolben 21 und 22 befinden sich beide in ihren unteren Totpunkten.

Bei der im Detail „D" dargestellten Stellung der Kurbelwelle 13 befindet sich der Arbeitskolben Ia etwa mittig im Arbeitszylinder 1 in der Bewegung zurück nach links, der linke sekundäre Hydraulikkolben 12 und der rechte sekundäre Hydraulikkolben 11 befinden sich etwa mittig zwischen ihren unteren Totpunkten (UT) und ihren oberen Totpunkten (OT) , gemäß Figur 4. Der linke - der erste - Kompressionskolben 22 befindet sich in seinem unteren Totpunkt (UT) und der rechte - der zweite - Kompressionskolben 21 befindet sich in seinem obe- ren Totpunkt (OT) . Dabei ist der rechte - der zweite - Kompressionsraum 47a freigegeben.

Zum Ausgleich von Leckage oder Temperatur bedingten Volumenschwankungen des Hydrauliköls 14 in den Hydraulikleitungen 7 und 8 sind Ausgleichsvorrichtungen 32 und 33 vorgesehen, wie sie in der Figur 7 dargestellt sind. Die Ausgleichsvorrichtungen 32 und 33 weisen Anschlagstiften 51 und 51a auf, die in den Kompressionszylindern 21a bzw. 22a angeordnet sind.

Die Anschlagstifte 51 und 51a werden von den Kompressionskolben 21 und 22 angehoben und betätigen dabei die Ventilhebel 34 bzw. 34a. Mit den Ventilhebeln

34 bzw. 34a wiederum können die Ausgleichsventile 32a bzw. 33a betätigt werden. Die Ausgleichsventile 32a und

33a sind über Drosselventile 36 und 36a mit einem Vor- ratsbehälter 35 für Hydrauliköl 14 verbunden.

Zur Justierung der Ausgleichsventile 32a und 33a sind den Ventilhebeln 34 und 34a Ventilstellschrauben 37 zugeordnet. Durch diese Maßnahmen kann bei Leckage Hydrauliköl 14 nachgespeist und bei Temperatur

bedingter Ausdehnung abgespeist werden. Durch diese Maßnahmen wird in den Hydraulikleitungen 7 und 8 ein stets gleiches konstantes Volumen des Hydrauliköls 14 gewährleistet. Das System ist allseits dicht und Lecka- gen an möglicherweise gesundheitsschädlichem oder teurem Arbeitsmedium können nicht auftreten.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung können die Hydraulikleitungen 7 und 8 flexibel sein. Dadurch kann die in dem Arbeitszylinder 1 erzeugte Ii- neare Bewegung des Arbeitskolbens Ia relativ frei an einen ortsunabhängig aufgestellten Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle 13 weitergeleitet und an einem quasi beliebigen Einsatzort in eine Drehbewegung umgewandelt werden .

Wie die Figur 8 zeigt, gelangt das entspannte

Arbeitsmedium über die Auslassventile 41 und 41a und die Sekundärleitung 49 mit dem Druck p2 in einen Nebel- abscheider 42. Die in den Leckageräumen 38 aufgefangene Leckage an Arbeitsmedium gelangt über eine Leckagerück- laufleitung 43a in den Nebelabscheider 42. Von dem Nebelabscheider 42 kommend gelangt das entspannte Arbeitsmedium mit einem niedrigeren Druck p2 über die Sekundärleitung 49 und Einlassventile 31a in einen der Kompressionsräume 47 bzw. 47a der Kompressionszylinder 21a bzw. 22a.

In Abhängigkeit von der jeweiligen Position der sekundären Hydraulikkolben 11 und 12 werden die Kompressionshydraulikkolben 19 und 20 in den Kompressionszylindern 21a und 22a bewegt und das entspannte gas- förmige Arbeitsmedium vom Druck p2 auf den Arbeitsdruck pl komprimiert. Das Arbeitsmedium wird dann über Auslassventile 31 und eine zweite Sekundärleitung 49a mit dem Arbeitsdruck pl isobar in den Druckkessel 50 zurückgeführt .

Auf ihren den Kompressionsräumen 47 bzw. 47a entgegengesetzten Seiten der Kompressionskolben 21 bzw. 22 sind in den KompressionsZylindern 21a bzw. 22a sekundäre Leckageräume 45 bzw. 45a vorgesehen.

Die sekundären Leckageräume 45 bzw. 45a sind über die Leckagerücklaufleitung 43 mit dem Nebenabscheider 42 verbunden. Zum Druckausgleich sind die Leckagerücklaufleitungen 43 und 43a mit Rückschlagventilen 44 bzw. 44a versehen. Durch all diese Maßnahmen wird eine mögliche Leckage aufgefangen und das Entweichen von Arbeitsmedium verhindert.

Bezugszeichen

Arbeitszylinder Arbeitskolben , 2a Arbeitskolbenstange , 4 primärer Hydraulikkolben , 6 primärer Hydraulikzylinder , 8 Hydraulikleitung , 10 sekundärer Hydraulikzylinder 1, 12 sekundärer Hydraulikkolben 3 Kurbelwelle a Kurbelwellenlager Hydrauliköl 5, 16 T-Stück , 18 Kompressionshydraulikzylinder 9, 20 Kompressionshydraulikkolben 9a, 20a Kompressionskolbenstange , 22 Kompressionsarbeitskolben a, 22a Kompressionszylinder , 24 Knickhebel a, 24a Drehpunkt b, 24b Gelenklager c, 24c Lager , 26 Kolbenstange , 28 Pleuelstange , 30 Pleuellager Auslassventil a Einlassventil , 33 Ausgleichsvorrichtung a, 33a Ausgleichsventil , 34a Ventilhebel Vorratsbehälter , 36a Drosselventil Ventilstellschraube Leckageraum Kolbenstangendichtung

, 40a Einlassventil , 41a Auslassventil

Nebelabscheider , 43a Leckagerücklaufleitung , 44a Rückschlagventil , 45a sekundärer Leckageraum , 46a primärer Arbeitsraum , 47a Kompressionsraum

Primärleitung , 49a Sekundärleitung

Druckkessel , 51a Anschlagstift