CN105378224B - 轴向活塞机器 - Google Patents

Abstract

一种轴向活塞机器，其具有缸体(10)，在缸体中构造至少三个缸(12)，并具有在缸(12)中可移动引导的活塞(14)，其中活塞(14)与斜盘(18)相连，所述斜盘(18)可转动地贴靠在斜盘座(20)上，并且其中流体流借助入口和出口阀被控制进入和流出所述缸(12)，所述轴向活塞机器的特征在于活塞(14)与斜盘(18)的多个连接部之间的变化的间隔和/或用于入口和/或出口阀的变化的打开时间。

Description

轴向活塞机器

技术领域

本发明涉及一种轴向活塞机器和尤其一种用于循环装置的轴向活塞马达，该循环装置用于利用内燃机的废热。

背景技术

当前汽车大多借助内燃机驱动，其中燃料燃烧并且在此释放的热能部分地转化成机械做功。往复式内燃机(其几乎仅用于驱动汽车)的效率大约是所用的主要能量的三分之一。由此在燃烧中释放的热能的三分之二成为废热，它们要么通过发动机冷却装置要么通过排气装置作为损失热量排放到环境中。

所述废热的利用提供了这种可行性，即提高汽车的驱动单元的整体效率并且进而降低燃料消耗。

DE102008028467A1描述了一种用于利用内燃机的废热的装置。对此在内燃机的排气装置中集成了第一热交换器、蒸发器、蒸汽循环装置。在热交换器中由废气向蒸汽循环装置的工作介质传递的热能在膨胀装置中部分地转换成机械能，其例如用于辅助汽车的驱动或者用于产生电能。在膨胀装置的下游，工作介质在第二热交换器、冷凝器中冷却，其中工作介质冷凝。通过供给泵提高工作介质的压力并且将其输入蒸发器中。

轴向活塞马达能够用作废热利用系统中的膨胀装置，如其由DE102010052508A1已知。

轴向活塞马达具有缸体，其中多个缸体以均匀的间距构成。在每个缸体中活塞可移动地引导，其中规定在活塞位置中的相位偏移，其参照活塞的运动循环(“活塞循环”：OT-UT-OT-或者UT-OT-UT)对应活塞之间的间距。通过入口阀门和出口阀门将具有压力的流体相继地引入相应的缸体中用于实施每个活塞的工作行程(OT-UT)，所述流体在那可能(在气压轴向活塞马达中)膨胀并且引起各个活塞的运动。在各个活塞的与工作行程相连的排出行程(UT-OT)中所述流体再次被排出。活塞的运动通过相对缸体的纵轴线倾斜布置的板件传递至输出轴，活塞直接地或通过连杆与所述板件相连。

轴向活塞压缩机或轴向活塞泵具有与轴向活塞马达基本相同的构造，其中机械的驱动功率从轴通过倾斜设置的板件传递至活塞，并且在此轴或者与之相连的驱动马达的转动转化成活塞的循环运动。在各个活塞的工作行程(UT-OT)中，之前在吸入行程(OT-UT)引入缸体中的流体被挤压和/或被压缩并且被排出。

轴向活塞机器(轴向活塞马达和轴向活塞压缩机或轴向活塞泵)常规地以三种构造形式之一来实施。

在斜板-以及斜轴构造形式中，缸体连同活塞一起转动。在斜板构造形式中所述轴平行于缸体布置并且与其固定连接。控制活塞的运动的倾斜的板件设计为固定的。在斜轴构造形式中，轴的纵轴线、包括法兰(“斜的板件”)与缸体相互倾斜地延伸，活塞作用在所述法兰上。

在斜盘(亦称“旋转斜盘”或“摆动盘”)构造形式中，缸体并不连同其中引导的活塞转动。这同样适用于通过连杆连接在活塞上的斜盘。斜盘可转动地座放在斜盘座上，其中，斜盘座的支承面和进而斜盘的定向相对缸的纵轴线倾斜地定向。斜盘座抗扭地与轴相连。

在斜盘构造形式的轴向活塞机器中通常规定，斜盘与斜盘座不期望的连带转动通过斜盘抗扭地固定在轴向活塞机器的壳体中或壳体上来保证。为此通常在环形的斜盘的外周或内周的一个或多个位置上设置槽，壳体的或者与壳体相连的构件的纵长形、弯曲延伸的凸缘嵌入所述槽中。这种槽-凸缘-连接阻止了斜盘的转动，但是同时允许沿凸缘的走向运动，由此斜盘的摆动运动被实现。

轴向活塞机器的入口和出口阀通常涉及为转盘的形式，其与轴抗扭地相连，并且根据各个活塞位置将单个缸的入口和出口与进入或流出通道暂时地相连。

发明内容

在这种现有技术的基础上本发明所要解决的技术问题在于，提供摆动盘或斜盘构造形式的轴向活塞机器，其特征在于尽可能高的效率和/或相同的曲线。

所述技术问题通过一种轴向活塞机器解决，其具有缸体，在缸体中构造多个缸，并具有在缸中可移动引导的活塞，其中活塞与斜盘相连，所述斜盘可转动地贴靠在斜盘座上，并且其中流体流借助入口和出口阀被控制进入和流出所述缸，其特征在于，

-活塞与斜盘的多个连接部之间有变化的间隔，其中，所述间隔被这样调整，使得各相邻的活塞始终在所述斜盘座的保持相同的部分转动后达到其上止点和/或下止点，和/或

-所述入口和/或出口阀有针对各缸选择性地变化的打开时间，其中，所述打开时间被这样调整，

I.使得所有缸的入口和/或出口阀在所属的活塞处于相同的活塞位置时打开和/或关闭，和/或

II.使得至少一些缸的入口和/或出口阀的打开时长是不同的。

本发明基于的知识在于，在斜盘式的轴向活塞机器中，由于斜盘为了抗扭的固定，在摆动运动中产生不同性或不一致，这导致了在相邻活塞的活塞位置中的不同的相位偏移以及相邻活塞的不同的速度曲线。由此一方面形成转动不同性。另一方面由此负面地影响轴向活塞机器的功率和效率，因为单个活塞的运动不再能精确地与设置的并通过轴的转动预设的阀控制时间相适配。例如可以规定，用于所有缸的入口阀尽可能精确地在各个活塞的上止点(OT)打开。所有缸的入口在传统的轴向活塞机器中相对各个缸相同地布置和构造。由此入口通过连同轴旋转的转盘相继进行的打开始终在轴相同的、对应缸之间的间隔的部分转动之后进行。通过轴的转动转化成活塞的循环的线性运动所带来的所述不同性在此未被考虑。因此这可以导致，在个别缸中，入口在所属的活塞达到OT之前或者在其已经经过OT之后入口就被转盘打开。这会导致所述缸较差的填充。

本发明的基础构思在于，对于活塞运动中的不同性或不一致性予以补偿，这种不同性由于轴的转动转化成活塞的循环的线性运动产生。

在此类轴向活塞机器中，其具有缸体，缸体中构造多个(优选至少三个)缸，并具有在缸中可移动引导的活塞，其中活塞与斜盘相连，所述斜盘可转动地贴靠在斜盘座上，并且其中流体流借助入口和出口阀被控制进入和流出所述缸，上述发明构思或技术问题通过本发明这样实现或解决，即提供活塞与斜盘的(尤其固定的)多个连接部之间的变化的间隔和/或用于入口和/或出口阀的变化的打开时间。

通过活塞与斜盘的多个连接部的间隔的变化，可以补偿活塞的整体运动因传动导致的错移，因此活塞始终在轴的保持相同的部分转动后达到其OT和/或UT。

通过改变用于入口和/或出口阀的打开时间可以实现的是，尽管由于传动导致活塞运动中出现不同性也可以使打开时间尽可能精确地与各个活塞位置相适配。

尤其可以规定，所述变化的打开时间这样调节，使得所有缸的入口和/或出口阀在所属的活塞处于相同的活塞位置时打开和/或关闭。由此可以改善缸的填充并进而改善轴向活塞机器的功率和必要时也改善效率。例如可以规定，通过针对各缸选择性(zylinderselektive)的调整，所有缸的入口阀的打开时间与各个活塞的OT一致。

此外可以规定，这样调整变化的打开时间，使得至少一些缸的入口和/或出口阀的打开时长是不同的。由此尤其可以补偿这种影响，即活塞运动的不同的速度曲线对缸填充流体的影响。因此优选规定，不同的打开时长(也就是轴在入口或出口阀的打开和再次闭合之间部分转动的角度范围，其通过各个角α(入口和出口28的长度)和角度γ(转盘38的入口的长度，参照图8)的和定义)被这样调整，使得在每一个活塞循环中、包含在缸中的流体的部分量的质量尽可能相同。

在按照本发明的轴向活塞机器的优选结构设计中可以规定，入口和/或出口阀设计为(多重)转盘阀的形式。由此入口和/或出口阀包含用于各单个缸的入口和/或出口，它们暂时地借助转盘敞开和遮盖。变化的打开时间(和因此各单个入口和/或出口阀的变化的打开时长)可以通过各单个缸的入口和/或出口之间变化的间隔和/或通过缸的入口和/或出口的不同的长度(参照相对转盘的运动方向)实现。在此，只要所有缸的流入和流出之间的相位关系保持恒定，可以为每个缸仅设置一个(组合式)进出口。如果对于各单个缸规定在入流和流出之间有不同的相位关系，则为每个缸在不同半径上设置至少一个入口和至少一个出口，它们被转盘相应的开口暂时地释放。

附图说明

以下结合附图所示的实施例进一步阐述本发明。在附图中：

图1示出按照本发明的轴向活塞马达的实施形式的立体图；

图2示出轴向活塞马达的俯视图；

图3示出轴向活塞马达沿图2中的平面III-III剖切的截面图；

图4示出轴向活塞马达沿图2中的平面IV-IV剖切的截面图；

图5示出轴向活塞马达沿图2中的平面V-V的截面图的放大局部图；

图6示出轴向活塞马达的转盘的立体图；

图7以上方视角示出转盘；

图8以下方视角示出转盘；

图9示出转盘沿图7中的平面IX-IX剖切的截面图；

图10示出转盘沿图7中的平面X-X剖切的截面图；

图11示出转盘沿图7中的平面XI-XI剖切的截面图；

图12示出轴向活塞马达的缸体盖板的俯视图；

图13示出用于按照本发明的轴向活塞机器的斜盘的俯视图；

图14示出在具有六个缸的现有技术中此类轴向活塞机器中活塞运动的曲线；

图15示出在具有六个缸的现有技术中此类轴向活塞机器中缸体填充流体的曲线；和

图16示出在具有六个缸的按照本发明的轴向活塞机器中缸体填充流体的曲线。

具体实施方式

图1至12示出了轴向活塞马达形式的按照本发明的轴向活塞机器的实施形式。轴向活塞马达例如用于循环装置中，其用于利用汽车的内燃机的废热。在此已蒸发并且过热的以及具有压力的工作介质在轴向活塞马达中膨胀，由此工作介质的热潜能的一部分转化成机械能。

轴向活塞马达以斜盘构造形式(Traumelscheibenbauart)实施。其包括缸体10，其构造有多个(在此是六个)相互平行定向的、穿过该共同缸体10延伸的缸12。在每个缸12中可移动地引导活塞14。所述活塞14通过各自的连杆16与环形斜盘18相连。斜盘18可转动地支承在斜盘座20上，该斜盘座抗扭地与轴向活塞马达的(输出)轴22相连。

斜盘18以及斜盘座20具有(共轴的)纵轴线，它们以确定的角度相对缸体12的纵轴线(和轴22的旋转轴线)倾斜地延伸。所述角度借助调节销24调节。为此配备外螺纹的调节销24在轴22的螺纹孔中引导。

相继进入各个缸12中的工作介质的压力由于斜盘18的倾斜形态而导致指向圆周方向的力分量，其作用在连杆16与斜盘18的连接部上。所述力分量引发轴22期望的转动。由于轴22以及与之抗扭连接的斜盘座20的转动使得斜盘18处于摆动运动，这导致了与斜盘18通过连杆16相连的活塞14的往复运动。在此每个活塞14在上止点(OT)和下止点(UT)之间运动。

活塞14以两个行程工作。每个活塞14在OT和UT之间的运动通过流入各个缸12的工作介质引起(工作行程)。在由斜盘18导引的活塞14在UT和OT之间的运动中，膨胀的工作介质从各个缸12排出(排出行程)。工作介质在规定控制时间上的流入和排出借助每个缸12的入口和出口阀实现，所述入口和出口阀由转盘阀装置构成。

转盘阀装置包括缸体盖板26，其在端侧在与斜盘18间隔的侧面上贴靠在缸体10上。缸体盖板26具有用于各个缸12组合的入口和出口28(参照图12)。另外的开口30用于容纳螺栓32，壳体盖34、缸体盖板26、缸体10以及包围斜盘12和斜盘座20的壳体36通过螺栓32相互连接。转盘38贴靠在缸体盖板26上，转盘38与轴22抗扭地相连并且因此在轴向活塞马达运行中相对缸体盖板26转动。由此缸体盖板26的入口和出口28交替地并且在轴22每转动一圈与转盘38的入口40以及与出口42重叠一次。入口40和出口42为此在相同的圆周轨迹上围绕转盘38的中心(旋转轴线)布置。在与入口40重叠时，蒸汽状的工作介质通过中央的进口44和集成在转盘38中的、径向延伸的进入通道46输入各个缸12中。在与出口42重叠时，工作介质从各个缸12排出并且通过出口48从轴向活塞马达排出。在此转盘38的入口40(在相对缸体盖板26旋转的方向上)的长度这样选择，使得与入口和出口28的重叠(并因此入口阀打开)始终仅给予一个缸12，而转盘38的明显更长(仅通过加强杆60中断)的出口42使得多个出口阀(通过与缸体盖板26的相应的入口和出口28的重叠)同时打开。

转盘38的进入通道46由于制造技术的原因设计为向外开放。在装配该轴向活塞马达时所述开口借助球状封闭体50封闭(参照图5)。

为了阻止斜盘18随着斜盘座20的转动一起运动，在此规定，斜盘(相对于轴22的旋转轴线)抗扭地与缸体10相连。为此设置固定套筒52，其通过固定销54(参照轴22的旋转轴线)抗扭地与缸体10相连。固定套筒52此外通过万向节式的关节装置与斜盘18相连。关节装置将斜盘18(参照轴22的旋转轴线)抗扭地与固定套筒52并进而与缸体10相连，但是同时允许斜盘的摆动。关节装置包括关节环56，其通过各两个支承销58围绕第一轴线可转动地与固定套筒52相连(参照图3)，以及围绕与第一轴线垂直延伸的第二轴线可转动地与斜盘18相连(参照图4)。

在已知的、与按照本发明的所述轴向活塞马达基本上功能相同的轴向活塞机器中规定，缸12以均匀间隔安置在缸体10中以及提供连杆16与斜盘18相应的连接。此外在缸体盖板26中对于各单个缸12提供相同的入口和出口28。这一点由于斜盘18与缸体10的抗扭连接而导致不同性或不同样的活塞运动并且—之后—导致了相邻活塞14之间不同的相位偏移。因此在具有六个缸12的轴向活塞机器中，在所有相邻缸之间的间隔为60°。活塞运动的相位偏移、亦即轴22的部分转动角度(相邻活塞14在经过轴的该部分转动角度后分别达到其OT和UT)却不是60°，而是或多于或少于几度。

图14示出这种效果。其中示出六个活塞14在轴22旋转时的运动(实线)。此外对于每个活塞以虚线记录正弦形对比运动。图14示出，所有真实的活塞运动与各个正弦对比运动相偏差，其中各单个活塞运动的偏差还部分地不同。在缸体10中仅仅对置的、也就是错开180°布置的活塞具有相同的(仅以180°相位偏移)活塞运动曲线。此外图14还示出相邻活塞14的运动中不同的、与60°间隔相偏差的相位偏移，例如相对在180°到达其OT的活塞14的运动，关于两个相邻活塞的运动的相位偏移比由于60°间隔而期望的60°小几度。与之相反，对于在缸体10中分别对置的活塞14而言，相位偏移则对应180°的间隔。这种在活塞运动中或之间的不同性和相位偏移在此趋势上是随着斜盘18的倾斜角的增大而增大。

在相邻活塞14的运动之间的相位偏移与在传统的轴向活塞机器的缸体盖板26中入口和出口28的对称布置相结合，导致入口和出口阀不能始终精确地在各个活塞14的预设位置上(例如在OT)打开。这以及活塞运动的不同的曲线导致了各缸12有不同的填充，其对于至少一些缸12保持在规定的填充之下。这导致了更低的功率并且可能也会导致轴向活塞机器更低的效率。

图15示出在现有技术此类轴向活塞机器中各单个缸12的填充的不同。其中示出缸12在轴22的旋转中填充工作介质流体的曲线，也就是工作介质的质量在单个缸12中的改变。在此还示出在缸体10中仅对置的缸12的填充的曲线是相同的(仅以180°相位偏移)。

为了避免所述问题，在按照本发明的轴向活塞马达中规定，缸体盖板26上配属各单个缸12的入口和出口28这样个性化地相适配，使得对于所有缸12形成基本上相同的填充(参照图12)。在此一方面规定，在各个相邻的入口和出口28之间的间隔(参照中心轴线)可以不同，因此例如β₁≠β₂。入口和出口28的布置和因此所述间隔这样选择，使得所有入口阀基本上始终在各个活塞14的OT处打开(通过缸体盖板26的入口和出口28与转盘38的进口40的开始的重叠)。此外入口和出口28参照缸体盖板26和转盘38之间的相对运动的方向的长度是不同的。由于转盘38和缸体盖板26的旋转的相对运动，入口和出口28的长度表示为角度范围。据此例如α₁≠α₂。原则上可以规定，对于在其OT区域中有相对平滑运动曲线的活塞运动应该提供更长的打开时长，以便相对于在OT区域中有相对尖锐运动曲线的活塞运动实现相同的填充。图16示出，按照本发明对于所有缸12都能实现基本相同的填充曲线。

作为调节入口阀的打开时间的备选或补充，也可以规定，调适在连杆26与斜盘18的连接部之间的间隔，由此可以避免相邻活塞14的(整个)运动的不同的相位偏移。图13示出相应构造的斜盘18，其可以应用在按照图1至11所示的轴向活塞马达中。在此非常有意义的是，不仅调节在各活塞14与斜盘18的连接部之间的间隔，而且相应地调节在缸体10中的相邻缸12之间的间隔，所述间隔然后与斜盘18上的间隔相同。按照本发明的在活塞14与斜盘18的连接方面被调适的轴向活塞机器可以优选与各单个阀被调节的打开时长(也就是例如在缸体盖板26的在其长度方面被调节的入口和出口28)相组合，因此可以附加地补偿活塞运动的不同的曲线形状。

附图标记清单

10 缸体

12 缸

14 活塞

16 连杆

18 斜盘

20 斜盘座

22 轴

24 调节销

26 缸体盖板

28 入口和出口

30 开口

32 螺栓

34 壳体盖

36 壳体

38 转盘

40 入口

42 出口

44 进口

46 进口通道

48 出口

50 封闭体

52 固定套筒

54 固定销

56 关节环

58 支承销

60 加固杆

Claims (3)

1.一种轴向活塞机器，其具有缸体(10)，在缸体中构造多个缸(12)，并具有在缸(12)中可移动引导的活塞(14)，其中活塞(14)与斜盘(18)相连，所述斜盘(18)可转动地贴靠在斜盘座(20)上，并且其中流体流借助入口和出口阀被控制进入和流出所述缸(12)，其特征在于，

-活塞(14)与斜盘(18)的多个连接部之间有变化的间隔，其中，所述间隔被这样调整，使得各相邻的活塞(14)始终在所述斜盘座(20)的保持相同的部分转动后达到其上止点和/或下止点，和/或

-所述入口和/或出口阀有针对各缸选择性地变化的打开时间，其中，所述打开时间被这样调整，

I.使得所有缸(12)的入口和/或出口阀在所属的活塞(14)处于相同的活塞位置时打开和/或关闭，和/或

II.使得至少一些缸(12)的入口和/或出口阀的打开时长是不同的。

2.按照权利要求1所述的轴向活塞机器，其特征在于，不同的打开时长被这样调整，使得在一次循环中、包含在各单个缸中的流体的部分量的质量尽可能相同。

3.按照前述权利要求之一所述的轴向活塞机器，其特征在于，入口和/或出口阀包含用于缸(12)的入口和/或出口(28)，所述入口和/或出口暂时地借助转盘(38)敞开和遮盖，其中变化的打开时间通过相邻的缸的入口和/或出口(28)之间变化的间隔和/或通过所述入口和/或出口(28)的变化的长度实现。